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Frequenzmodulator
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzmodulator.
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Frequenzmodulatoren enthalten normalerweise einen Oszillator, der
in Abhängigkeit von einem hinsichtlich der Amplitude veränderlichen Signal ein entsprechendes,
hinsichtlich der Frequenz veränderliches Signal erzeugt. Ein Problem bei solchen
Modulatoren besteht darin, daß sich die durch eine gegebene Amplitudenänderung erzeugte
Frequenzabweichung mit der Betriebsfrequenz und/oder mit der Temperatur und der
Alterung ändern kann. Mit Hilfe der Erfindung soll ein Frequenzmodulator geschaffen
werden, bei dem solche Änderungen beträchtlich reduziert werden.
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Nach der Erfindung ist ein Frequenzmodulator mit einem Oszillator,
dessen Ausgangsfrequenz von der Amplitude eines Modulationssignals abhängt gekennzeichnet
durch
eine Modulationssignalsteueranordnung, durch die das Modulationssignal
dem Oszillator zur Erzeugung einer Frequenzmodulation des Oszillatorausgangssignals
eingegeben wird, eine Diskriminatoranordnung, die abhängig von der Frequenzmodulation
ein entsprechendes, in der Amplitude veränderliches Signal erzeugt, und eine Komparatoranordnung,
die abhängig von dem in der Amplitude veränderlichen Signal und dem Modulationssignal
ein Steuersignal liefert, das zur Steuerung der durch die Modulationssignalsteueranordnung
erzielten Verstärkung oder Dämpfung zurückgeführt wird, so daß die Amplitude des
in der Amplitude veränderlichen Signals bezüglich des Modulationssignals konstant
zu halten versucht wird, wodurch der Betrieb des Modulators linearisiert wird.
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Die Modulationssignalsteueranordnung kann ein Verstärker sein, dessen
Verstärkungsfaktor von dem Steuersignal gesteuert wird.
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Es ist zu erkennen, daß ein linearer Betrieb des Modulators mittels
einer Regelschleife erzielt wird, die den Modulatorbetrieb so linearisiert, daß
nichtlineare Eigenschaften des Oszillators durch Verstärkungsänderungen des Verstärkers
kompensiert werden, durch den dem Oszillator das Modulationssignal zugeführt wird.
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Die Diskriminatoranordnung kann aus einem Impulszähldiskriminator
bestehen.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, daß die Komparatoranordnung einen
Signalkomparator, dem das gefilterte Diskriminatorausgangssignal fttr einen Vergleich
mit dem Modulationssignal zugeführt wird, und einen Phasendetektor enthält, und
daß der Signalkomparator so angeordnet ist,
daß er den Phasendetektor
speist, dem auch über einen Begrenzer das Modulationssignal zugeführt wird und dessen
Ausgangssignal zur Steuerung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers über einen
Integrator benutzt wird.
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Als Alternative kann vorgesehen sein, daß die Komparatoranordnung
einen Negator und einen Phasendetektor enthält und daß das Diskriminatorausgangssignal
mit einem Ab tastwert des Modulationssignals kombiniert wird, das über den Negator
zugeführt wird, wobei das kombinierte Signal über ein Filter dem Phasendetektor
zugeführt wird, der auch das Modulationssignal über einen Begrenzer empfängt und
dessen Ausgangssignal zur Erzeugung des Steuersignals integriert wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß der Oszillator
ein digitaler Oszillator ist, in dem das Modulationssignal einem frequenzveränderlichen
Oszillator zugeführt wird, dessen Trägerfrequenz durch ein Signal aus dem Phasendetektor
gesteuert wird, der bei Vorhandensein einer Phasendifferenz zwischen einem aus einer
Bezugsfrequenzquelle abgeleiteten Signal und einem aus dem frequenzveränderlichen
Oszillator über eine Teilervorrichtung abgeleiteten Signal ein Trägerfrequenz-Korrektursignal
für den frequenzveränderlichen Oszillator liefert.
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In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, daß die Teilervorrichtung
aus einer Hintereinanderschaltung eines festen Teilers und eines variablen Teilers
besteht und daß der Diskriminatoranordnung ein Abtastwert des frequenzmodulierten
Ausgangssignals aus dem Oszillator über den festen Teiler zugeführt wird.
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Der erfindungsgemäße Frequenzmodulator ist vorzugsweise so ausgebildet,
daß er einen Teil der Syntheseschaltung eines HF-Senders eines HF-Sende-Empfangsgeräts
bildet.
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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert.
Es zeigen Fig.1 ein schematisches Blockschaltbild eines Frequenzmodulators, Fig.2
ein schematisches Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform des Frequenzmodulators
und Fig.3A bis 3F Signaldiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des in Fig.1
dargestellten Modulators.
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Der in Fig.1 dargestellte Modulator enthält einen innerhalb einer
gestrichelten Linie dargeste#llten digitalen Oszillator 1, der einen frequenzveränderlichen
Oszillator#2-(VCO) enthält, der an der Leitung 3 ein Ausgangssignal abgibt und dessen
Trägerfrequenz von einem an der Leitung 4 zugeführten Gleichspannungs-Rückkopplungssignal
gesteuert wird. Das Rückkopplungssteuersignal wird aus einer Schaltungsanordnung
abgeleitet, die einen Phasendetektor 5 enthält, der einerseits ein Bezugssignal
aus einem Steueroszillator 6 und andrerseits ein Rückkopplungssignal an einer Leitung
7 über die Serienschaltung eines festen Teilers 8 und eines variablen Teilers 9
empfängt; den Teilern wird ein Ausgangssignal aus dem frequenzveränderlichen Oszillator
2 zugeführt. Zum Modulieren des Ausgangssignals an der Leitung 3 wird mittels einer
Leitung 10 ein Modulationssignal an den frequenzveränderlichen Oszillator 10 angelegt.
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In der Praxis besteht eines der Probleme bei Frequenzmodulatoren darin,
daß sich auf Grund von Nichtlinearitäten in den Kennlinien der Frequenzsteuerelemente,
die aus Kapazitätsdioden bestehen können, denen das Steuersignal 10 zugeführt wird,
eine nichtlineare Modulationskennlinie ergeben kann.Die Auswirkung dieser Nichtlinearität
besteht darin, daß an einem Ende des vom frequenzveränderlichen Oszillator überdeckten
Frequenzbandes eine gegebene Spannungsänderung des Signals an der Leitung 10 an
der Ausgangsklemme 3 einen Frequenzhub erzeugen kann, der sich beträchtlich von
dem Frequenzhub unterscheidet, der von der gleichen Spannungsänderung am anderen
Ende des Frequenzbandes hervorgerufen wird. Der vom frequenzveränderlichen Oszillator
für eine gegebene Spannungsänderung erzeugte Frequenzhub des Signals an der Leitung
10 kann sich auch mit der Temperatur und auf Grund der Alterung ändern.
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Zur Linearisierung des Betriebs des Oszillators 1 wird der Leitung
10 das Modulationssignal von einer Eingangsmodulationsleitung 11 über einen Verstärker
12 zugeführt, dessen Verstärknngsfaktor entsprechend einem Gleichspannungs-Steuersignal
gesteuert wird, das dem Verstärker an der Leitung 13 zugeführt wird. Das von der
Leitung 13 übertragene Steuersignal wird durch Vergleich des Modulationssignals
an der Leitung 11 mit einem in der Amplitude entsprechend der Frequenzmodulation
an der Leitung 14 am Ausgang des Teilers 8 veränderlichen Signal, mittels eines
Phasendetektors und durch Integrieren des Vergleichsergebnisses erzeugt.
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Das in der Amplitude veränderliche Signal wird dadurch
erzeugt,
daß das Signal an der Leitung 14 einem Impulszähl-Diskriminator 15 zugeführt wird,
dessen Ausgangssignal über ein Tiefpaßfilter 16 und einen Verstärker 17 einem Eingang
eines Komparators 18 zugeführt wird. Dem anderen Eingang des Komparators 18 wird
das Modulationssignal über ein Tiefpaßfilter 19 zugeführt. Der Komparator 18 speist
einen Eingang eines Phasendetektors 20, an dessen anderem Eingang das Modulationssignal
über das Filter 19 und einen Begrenzer 20 angelegt wird. Das Ausgangssignal des
Phasendetektors 20 wird zur Erzeugung des Steuersignals in einem Integrator 22 integriert.
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Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 17 ist so eingestellt, daß
die dem Komparator 18 zugeführten Signale normalerweise gleich sind. Wenn sich Jedoch
die Frequenz des frequenzveränderlichen Oszillators 2ändert, ändert sich auch die
Amplitude des dem Komparator 18 aus dem Verstärker 17 zugeführten Signals im Vergleich
zu dem dem Komparator über das Filter 19 zugeführten Signal, so daß dann dem Phasendetekto#r
20 ein Ausgangssignal zugeführt wird.
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Der Phasendetektor 20 erzeugt daher ein Ausgangssignal, das durch
den Integrator 22 geschickt wird, damit das Steuersignal an der Leitung 13 zur Steuerung
des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 12 erzeugt wird.
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Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 12 wird von diesem Steuersignal
in dem Sinn gesteuert, daß die den Komparator 18 zugeführten Signale gleichzubleiben
versuchen. Das Ausgangssignal eines Diskriminators 15 neigt dazu, in unerwünschter
Weise verrauscht zu sein, Jedoch wird das Steuersigmil auf Grund der Verwendung
des Phasendetektors dadurch nicht wesentlich gestört.
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Die Arbeitsweise der soeben beschriebenen Schaltung läßt sich am besten
durch Bezugnahme auf die Signaldiagramme der Figuren 3A bis 3F verstehen. In Fig.3A
ist das Modulationssignal dargestellt, das an der Leitung 11 erscheint. An der Ausgangsleitung
3 wird ein entsprechendes frequenzmoduliertes Signal erzeugt, das Frequenzabweichungen
f + Ef und f - Ef aufweist, wobei f die Frequenz des frequenzveränderlichen Oszillators
ist. Das am Ausgang des festen Frequenzteilers 8 dargestellte Signal ist in Fig.3C
dargestellt, wobei auf Grund der Wirkungsweise des Teilers 8 die Frequenzabweichung
f/m + t f/m an einem Ende und f/m -E f/m am anderen Ende beträgt, wenn m der Teilerfaktor
des Teilers 8 ist. In Fig.3D ist das Signal am Ausgang des Impulszähldiskriminators
15 dargestellt. Die Folgefrequenz der Impulse ändert sich zwischen den Werten f/m
+ Af/m und f/m -wie aus der Darstellung hervorgeht. Die Dauer Jedes Impulses des
in Fig.3D dargestellten Signals ist konstant; die Impulse können daher zweckmässigerweise
von einer monostabilen Kippschaltung erzeugt werden.
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In Fig.3E ist das Signal am Ausgang des Verstärkers 17 dargestellt,
das die gleiche Phasenlage wie das Signal am Ausgang des Filters 19 hat, das in
Fig.3F dargestellt ist.
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Das in Fig.3G dargestellte Signal erscheint am Ausgang des Komparators
18; es ändert sich über einen Bereich von 180° mit der Amplitude des Signals von
Fig.3E an den Ubergängen, so daß seine Amplitude größer oder kleiner als die Amplitude
des Signals von Fig.3F ist. Wenn die dem Komparator zugeführten Signale gleich sind,
d.h.
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wenn das Signal von Fig.3E gleich dem Signal von Fig.3F ist, dann
hat das Ausgangssignal des Komparators 18 den Wert 0.
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In Fig.3H ist das Signal am Ausgang des Begrenzers 21 dargestellt,
während Fig.3J das Signal am Punkt J am Ausgang des Phasendetektors 20 zeigt. Das
Signal von Fig.3J hat die Form eines einer Vollweggleichrichtung unterzogenen Signals
oder die Form eines einer Halbweggleichrichtung unterzogenen Signals, was von der
Art des verwendeten Phasendetektors abhängt. Wenn die in den Figuren 3E und 3F dargestellten
Eingangssignale des Komparators t8 gleich sind, dann hat die Amplitude des in Fig.3J
dargestellten Signals den Wert 0.
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Die Ausgangssignale des Integrat#rs 22 haben den in Fig.3K dargestellten
Verlauf; sie streben gegen den durch die gestrichelte Linie 23 angegebenen Nennwert,
der den Zustand repräsentiert, der sich ergibt, wenn das-Signal von Fig.3J den Wert
0 hat.
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Als Alternative zu der oben im Zusammenhang mit Fig.1 beschriebenen
Schaltungsanordnung kann die in Fig.2 dargestellte Anordnung benutzt werden, in
der einander entsprechende Teile des Modulators mit den gleichen Bezugszeichen versehen
sind. In der Anordnung von Fig.2 wird ein Signal von der Eingangsleitung dem Filter
19 und über ein Dämpfungsglied 24 und eine Phasenumkehrstufe 25 auch dem Filter
16 zugeführt. Das Dämpfungsglied 24 ist so gewählt, daß ein über einen Kopplungskondensator
25 und einen Verstärker 26 dem Phasendetektor 20 aus dem Filter 16 zugeführtes Signal
bei Vorliegen der Nennbetriebsbedingungen den Wert 0 hat. Der Phasendetektor 20
wird wie in Fig.1 über den Begrenzungsverstärker 21 gespeist, und er versorgt seinerseits
den Fehlerintegrator 22, der an der Leitung 13 das Steuersignal für den hinsichtlich
seines Verstärkungsfaktors gesteuerten Verstärker 12 liefert. Wenn in der Schaltungsanordnung
von Fig.2 das Ausgangssignal des
Integrators 22 vom Ausgangssignal
des Diskriminators 15 abweicht, wird an den Eingang des Phasendetektors 20 ein Eingangssignal
angelegt, und ein entsprechendes Steuersignal wird zum Verstärker 12 zurückübertragen.
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Ein nach der Erfindung ausgebildeter Modulator kann in einem Sender
oder in einem Sende-Empfangs-Gerät verwendet werden.
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Außerdem kann er in sehr breitbandigen Synthese schaltungen verwendet
werden, da in solchen Synthese schaltungen die Anwendung eines sehr linearen Modulators
beträchtliche Vorteile ergibt.