DE3138464A1 - Verfahren zur digitalen demodulation frequenzmodulierter signale - Google Patents

Verfahren zur digitalen demodulation frequenzmodulierter signale

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Description

  • Verfahren zur digitalen Demodulation frequenzmodulierter
  • Signale Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Demedulatoren für frequenzmodulierte Signale sind allgemein bekannt. Solcht Demodulatoren weisen eine Diskrimisatorspule auf und Kondensatoren sowie ein Paar, in Gegentakt geschaltete Gleichrichter. Das Hiederfrequenzsigant ist; dabei ar den Mittenanzapfung der Dickriminaterspule und nach den Gleichrichtern abgreifbar. Selche Demodulatoren sind stark temperatur- und alterungsabbängig. Durch die Streuung der Bauelemente ist die Gerauigkeit und die Symmetrie des Dexodulators nicht reproduzierbar. Als weiterer Nachteil ist anzusehen, daß solche Schaltungsanordnungen nicht integrierbar sind, da Kondensatoren aur schlecht und Spulen überhaupt nicht integrierbar auszuführen sind.
  • Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden DIerkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Methoden der digitalen Signalverarbeitung anwendbar sind. Digitale Signalverarbeitung hat den Vorteil, daß das Ergebnis absolut reproduzierbar ist und Temperatur- und Alterungsabhängigkeiten nicht auftreten.
  • Auch Abstimmungsprobleme entfallen. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß solche Schaltungsanordnungen integrierbar auszuführen sind. Dies ist insbesondere dadurch ermöglicht, daß Spulen keine Verwendung finden. Weitere Vorteile sind die beliebige Genauigkeit der Auflösung der Signale sowie die fföglichkeit der Steuerung der Zur schenfrequenzbandbreite in Abhängigkeit von der Empfangsqualität, da dies auf einfache Art und Teise durch digitale Signale oder Spannungen geschehen kann.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Diese Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.
  • Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 das Blockschaltbild eines digitalen F2I-Demodulators, Fig. 2 ein Blockschaltbild eines digitalen FN-Empfängers, Fig. 3 Verläufe der Signalspektronenpitschiedenen Punkten des Blockschaltbildes nach Fig. 2, Fig. 4 das Blockschaltbild eines weiteren digitalen FII-Denodulators, Fig. 5 Verlauf des Frequenzganges eines rniefpasses, Fig. 6 Impulsantwort und Betrag der Ubertragungsfunktion eines nichtrekursiven Filters, Fig. 7 Signale, die am FM-Demodulator auftreten, Fig. 8 ein Eingangssignal der arcsin-Tafel, Fig. 9 ein NF-Signal bei Ubernodulation, Fig. 10 ein NF-Signal bei Senderverstimmung, Fig. 11 den Einfluß der Bandbegrenzung durch einen Tiefpaß bei voller Aussteuerung, Fig. 12 ein 1W-Signal mit FM-Bandbegrenzung, Fig. 13 ein System zur Erzeugung von #(Kt) aus v(t) und Fig. 14 den Frequenzgang eines Entzerrerfilters.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele 1. Einleitung Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Möglichkeit des Einsatzes digitaler Systeme in kommerziellen UKW-Rundfunkempfängern. Gedacht ist dabei an eine Digitalisierung im Anschluß an die Abwärtsmischung des ankommenden Signals in denZwischenfrequenzbereich; d.h. die Aufgaben der Zwischenfrequenzfilterung und Demodulation sollen' durch digitale Teilsysteme gelöst werden. Dabei erscheint es von grundlegender Bedeutung, daß nicht einfach die aus der Analogtechnik bekannten Verfahren auf den Digitalbereich übertragen werden; vielmehr muß nach neuen Lösungswegen gesucht werden, die den Eigenschaften der vorliegenden digitalen Technologie möglichst optimal angepaßt sind.
  • Die Anwendung der Methoden der digitalen Signalverarbeitung auch im Bereich des Rundfunkempfangs erscheint aus einer Reihe von Gründen attraktiv. So ist zunächst einmal von digitalen Teilkomponenten absolute Reproduzierbarkeit zu erwarten, d.h. es bestehen keine Temperatur- oder Alterungsabhängigkeiten der Eigenschaften; jegliche Abstimmungsprobleme entfallen. Hinzu kommt die beliebige Genauigkeit bei entsprechender Steigerung der Auflösung der Signale, d.h. des Aufwandes. Digitale Systeme sind mit relativ einfachen Mitteln mit variablen Koeffizienten auszuführen, woraus die Möglichkeit der Steuerung der Zwischenfrequenz-Bandbreite in Abhängigkeit von der Empfangs qualität erwächst. Als technologischer Vorteil ist die sehr günstige Integrationsmögl ichkeit digitaler Schaltkreise zu nennen.
  • Digitale Teilkomponenten im UKW-Empfäger weisen andererseits etliche Realisierungsprobleme auf. So erfordern die hier vorliegenden Geschwindigkeiten einen relativ hohen Parallel aufwand. Komplexe Schaltungen hoher Geschwindigkeit führen zu hohen Leistungsaufnahmen.
  • Wirtschaftlich interessante Lösungen sind daher nur bei Vorliegen entsprechend schneller, leistungsarmer integrierter Schaltkreise möglich. Schließlich besteht das Problem der Analog-Digi tal umsetzung.
  • Für den Einsatz im Zwischenfrequenzbereich von UKW-Empfängern sind sehr schnelle Bausteine erforderlich; die Frage der Güte der Auflösung ist im besonderen zu prüfen.
  • Den hier geschilderten Problemen steht die in den letzten Jahren vollzogene Weiterentwicklung der Technologie gegenüber: Integrationsdichte und Geschwindigkeit wurden erheblich gesteigert, gleichzeitig ist das Bestreben erkennbar, Bausteine mit geringem Leistungsverbrauch zu entwickeln, so daß Anwendungen wie in der vorliegenden Arbeit behandelt auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten Interesse finden werden.
  • Ein günstiges Konzept für einen digitalen UKW-Empfangsteil hat sich an den technologischen Randbedingungen zu orientieren. Deshalb muß der Grundgedanke sein, sämtliche Teilsysteme Jeweils mit der niedrigsten Abtastfrequenz zu betreiben, die systemtheoretisch möglich ist. Eine solche Oberlegung führt zu einer Demodulation im Basisband.
  • Ein entsprechendes digitales FM-Demodulationsprinzip wird im folgenden Abschnitt dargestellt. Im Abschnitt 3 folgen Oberlegungen über eine günstige Durrhführung der selektiven Filterung im Empfänger mit digitalen Mitteln. Abschnitt 4 schließlich gibt einige Simulationsergebnisse wieder.
  • 2. Digitale Demodulation Zur Frequenzerkennung im Zwischenfrequenzbereich scheiden Nulldurchgangsdiskriminatoren nach einfachen Zählverfahren wegen der hohen Zählfrequenzen aus. Allgemein läßt sich feststellen, daß eine hohe Auflösung der Zeitachse entsprechend der Genauigkeit der Bestimmung der Momentanfrequenz aus Gründenfhoher Abtastraten zu vermeiden ist. In diesem Zusammenhang muß auch die Verwendung von digitalen Phase-locked-loop Schaltungen gesehen werden, bei denen der digital gesteuerte Oszillator durch einen programmierbaren Frequenzteiler realisiert ist /z.B. 1/.
  • Aus ähnlichen Gründen scheidet auch das in /2/ angegebene Prinzip der Fre quenzdiskrimination aus. Anwendbar hingegen sind möglicherweise sogenannte'"Nyquist Rate DPLL"-Systeme /31, bei denen innerhalb des Kreises nicht rechteckförmige, sondern bandbegrenzte und gemäß dem Abtasttheorem digital erfaßte Signale verarbeitet werden. Aber auch dabei sind erhebliche Abtastraten erforderlich-, solange das ankommende Signal nicht vom üblichen ZF-Bereih in eine sehr viel niedrigere Frequenzlage transportiert wird.
  • Das im folgenden beschriebene Demodulationsprinzip geht von einer Herabmischung des Zwischenfrequenzsignals in den Basisbandbereich aus, wodurch der Demodulator die geringste Arbeitsfrequenz erfordert, die theoretisch möglich ist.
  • Ein frequenzmoduliertes Signal mit der Trägerfrequenz f läßt sich beschreiben durch wobei an den Kreisfrequenzhub und v(t) das in den Grenzen (-1, +1] aus gesteuerte dimensionslose NF-Signal bedeuten. Dieses Signal g(t) wird mit der Abtastfrequenz fA = lIT abgetastet. Die Abtastfolge wird dem in Bild 1 wiedergegebenen digitalen System zugeführt.
  • Wåhit man die Abtastfrequenz so, daß gilt so bestehen die Folgen cos den Werten + 1, o und -1, ausschließlich aus h lediglich eine Vorzeichenumkehr, nicht eine Multiplikation realisiert werden muß.
  • Die Ausgangssignale der beiden Multiplizierer haben die Form Durch die anschließende Tiefpaß-Filterung werden die jeweils zweiten Terme in (4a) und (4b> unterdrückt, da sie die doppelte Trägerfrequenz enthalten; es ergibt sich wobei g3(kT) und g4(kT> zueinander hilberttransformiert sind.
  • Der Grundgedanke, der zu den weiteren Schritten führt, ist nun der folgende. Aus dem unter (5a) gewonnenen Signal allein läßt sich - etwa durch eine arccos-Berechnung - nicht eindeutig das Nutzsignal erzeugen, da durch die Integration von v(kT)der Argumentbereich £0,11) überschritten und die Lösung deshalb vieldeutig wird. Es muß daher eine Differenzbildung des Argumentes derart erfolgen, daß dieses innerhalb eines definiert ten Intervalls verbleibt. Das gelingt durch die folgenden dem Bild.l zu entnehmenden Operationen. Es ergibt sich Man setzt nun näherungsweise was für hinreichend große Abtastfrequenz zulässig ist.
  • Bei näherer Betrachtung erweist sich, daß diese Vereinfachung ausschließlich lineare Verzerrungen des NF-Signals zur Folge hat (schwache Tiefpaß-Wirkung), die nach der Demodulation sehr einfach kompensiert werden können. (siehe Anhang) Mit (8) erhält man Die Subtraktion von (9a) und (9b) liefert Bleibt das Argument dieses Sinus-Ausdrucks in den Grenzen so ist das Nutzsignal aus (lo) durch eine arcsin-Operation eindeutig zu gewinnen.
  • Die Bedingung (11au führt damit zu einer minimalen Abtastfrequenz des Demodulators, die nicht unterschritten werden darf. Unter der Annahme Damit ist gezeigt, daß der hier dargestellte Demodulationsalogorith mus zur Behandlung frequenzmodulierter Signale geeignet ist, wobei das System mit einer Abtastfrequenz von ca. 500 kHz laufensolIte. Auswirkungen von Frequenzverstimmungen im analogen Mischteil wurden in der vorliegenden Darstellung nicht explizit behandelt. Es läßt sich zeigen, daß sich in dem Falle eine einfache Gleichkomponente im wiedergewonnenen NF-Signal ergibt, die gegebenenfalls zur Nachregdlung der Abstimmung benutzt werden kann (AFC).
  • Entscheidend für die korrekte Funktion des Demodulators - inSbesondere bei hohen Frequenzhüben - ist die Einhaltung der hier angesetzten Amplitude des ankommenden Signals auf eins. Amplitudenschwankungen können ausgeregelt werden einmal durch einen analogen Regelverstärker vor der Analog-Digital-Umsetzung, der in jedem Falle zur optimalen Aussteuerung dea A/D-Umsetzers erforderlich ist. Schnelle Amplitudenschwankungen (AM-Störungen) werden günstigerweise digital ausgeregelt durch einen Multiplizierer im Signalpfad. Ein Kriterium für den erforderlichen Verstärkungsfaktor gewinnt man aus den Signalen g3(kT) und g4(kT), da für jeden Abtastzeitpunkt gilt Eine Korrektur der Amplitude ist damit theoretisch bei jedem Abtastwert möglich, praktisch wird jedoch wegen des vorhandenen Rauschfehlers eine Mitteilung über eine Anzahl von Taktintervallen erforderlich sein.
  • 3. Entwurf digitaler Filter im Gesamtsystem Anzustreben ist hier der Einsatz nichtrekursiver Filter, da sie den Vorteil der linearen Phase bieten. Einessolche Lösung ist - trotz des relativ hohen Realisierungsaufwandes - sehr attraktiv, weil aufgrund einer exakt konstanten Gruppenlaufzeit die nichtlinearen Verzerrungen des NF-Signal vermindert und die Stereo Kanal trennung erheblich verbessert werden können. Dem hohen Multiplikationsaufwand nichtrekursiver Filter ist dadurch zu begegnen, daß die Abtastfrequenzen in jedem Teilsystem so gering wie möglich gewählt werden. Das gilt im besonderen Maße auch für den Analog-Digital-Umsetzer. Zur korrekten Erfassung des ungefilterten Ausgangssignals des ZF-Mischers sind Abtastfrequenzen in der Größenordnung von 50 MHz erforderlich. Erheblich reduziert werden kann dieser Wert, wenn dem A/D-Umsetzer ein analoger Bandpaß vorgeschaltet wird, dessen Mittenfrequenz bei der ZF-Frequenz fzF = 10,7 MHz liegt.
  • Dieser Bandpaß sollte einerseits so breitbandig sein, daß daS Nutzsignal im Frequenzbereich 10,7 MHz t 150 kHz keine merkbaren Phasenverzerrungen erfährt; andererseits ist seine Bandbreite hinreichend gering zu wählen, so daß sich eine wirksame Reduktion der Abtastrate des A/D-Umsetzers ergibt. Für die folgenden Oberlegungen wurde für den analogen Eingangs-Bandpaß eine Bandbreite von 2 MHz angesetzt. In Bild 2 wird das gesamte Blockschaltbild des digitalen Empfängers wiedergegeben, die verschiedenen Abtastfrequenzen der einzelnen Teilsysteme sind eingetragen.
  • Durch die Unterabtastunq des Eingangssignals (fAl = 8,56 MHz) entsteht einFM-Spektrum bei einer neuen Trägerfrequenz von fO = 2,14 MHz, also bei tal/4. Die Bandbreite dieses Spektrums beträgt gemäß der analogen Vorfilterung B = 2 MHz (vgl. Bild 3a). Nach einer Quadratur-Demodulation mit den Trägern cos z k und sin z k entsteht neben den hilberttransformierten Basisbandsignalen jeweils ein Spektrum um den doppelten Träger 2 fo = fAt2 (Bild 3b), diese werden durch die nachfolgenden Tiefpässe TP 1 und TP 2 unterdrückt. An den Ausgängen dieser Tiefpässe kann die Abtastfrequenz um den Faktor 4 reduziert werden, da die obere Grenzfrequenz des Basisbandes bei 1 MHz liegt (fA2 = 2,14 MHz). Dieser Schritt ist insofern entscheidend, als damit für die nun folgende selen tive Schmalbandfilterung aer Aufwand stark reduziert wird. Würde nämlich diese Aufgabe mit von den Tiefpässen TP 1 übernommen, so würde bei der dort vorliegenden 4-fachen Abtastfrequenz der Filtergrad gegenüber dem der Filter TP 2 um den Faktor 4 höher liegen. Am Ausgang des Filters TP 2 kann abermals eine Äbtastratenreduktion vorgenommen werden: Die Bandbreite des gefilterten Basisbandsignals liegt bei 200 kHz (vgl.
  • Bild 3c), die mindestens erforderliche Abtastfrequenz beträgt also 400 kHz. Dieser Wert entspricht etwa der in Abschnitt 2 gefundenen Minimalabtastung (fA3 > 300 kHz) für eine korrekte Demodulation.
  • Die Abtastfrequenz wird auf fA3 = FA2/4 = 535 kHz festgelegt, mit der damit der in Abschnitt 2 beschriebene Demodulationsalgorithmus abläuft.
  • Entscheidender Aufwand des hier beschriebenen Konzepts liegt in der Realisierung der nichtrekursiven Filter. Deshalb soll nun die Frage effizienter Entwurf im einzelnen behandelt werden.
  • Das Tiefpaß-Paar TP 1 hat ausschließlich die Aufgabe, den Signalanteil beim doppelten Träger 2f# zu unterdrücken. Bild 3b entnimmt man, daß dazu eine Obertragungsfunktion erforderlich ist, die einen Duchlaßbereich von 0 bis f > 1/81, und einen Sperrbereich von f > 3/811 bis 1/21 besitzt. Man wählt günstigerweise einen nichtrekursiven Tiefpaß mit einer Nyquistflanke bei f = 1 in diesem Falle verschwindet die Hälfte aller Koeffizienten. Ein Entwurf nach dem Verfahren der "modifizierten Fourier-Approximation" /4/ ergibt bei einer Sperrdämpfung von 65 dB einen Filtergrad von n = 18. Wegen der Linearphasigkeit sind die Filterkoeffizienten paarweise gleich: Bei Berücksichtigung dieser Bedingungen liefert die diskrete Faltung der Impulsantwort h(v) mit einer Eingangsfolge x(k) in der Form (14) die Ausgangsfolge y(k).
  • Normiert man die Koeffizienten h(v) so, daß der Mittenkoeffizient auf eine Zweierpotenz führt, so enthält Gleichung (14) für v = 18 eine Anzahl von 5 Multiplikationen.
  • Betrachten wir nun genauer den oberen Zweig im Blockschaltbild Bild 2, also den "Kosinus-Kanal".
  • Das Eingangssignal von TP la hat die Form womit sich aus dem Faltungsausdruck (14) die Beziehung ergibt.
  • Aus dieser Folge y(k) ist wegen der Abtastratenreduktion am Ausgang von TP 1 nur jeder 4. Wert zu entnehmen, wobei die Abtastphase bezüglich der Eingangsfolge beliebig sein kann. Wählt man die Abtastzeitpunkte an den Stellen k = 1, 5, 9, 13, so verschwinden in Gl. (16) sämtliche Terme cos z (k-2s) und cos z (k-n+2M) für gerade Werte n.
  • Für das Ausgangssignal von TP la verbleibt lediglich Der Tiefpaß TP la kann also bei geeigneter Abtastung v o 1 1 s t ä n d i g e n t fa-l 1 e n.
  • Andere Verhältnisse ergeben sich für den unteren Zweig im Blockschaltbild Bild 2. Nach entsprechenden Oberfegungen erhält man für das Ausgangssignal von TP 2b Hier verschwindet der Summenausdruck bei Wahl der Abtastwerte für k = 1, 5, 9, ... gerade nicht.
  • Die gleichen Verhältnisse wie im oberen Zweig ergeben sich im Ausgang von TPlb, wenn hier Abtastwerte zu Zeitpunkten mit geradem Index k, also z.B.
  • k = 2, 6, io, entnommen werden. In dem Falle entstammen jedoch die beiden Abtastfolgen y1<k) und y2(k) verschiedenen Abtastphasen des ankommenden Signals: Die beiden Signale sind dann nicht mehr zueinander hilberttransformiert; unter dieser Voraussetzung war aber der in Abschnitt 2 dargestellte De modulationsalgorithmus behandelt worden.
  • Um dennoch den erheblichen schaltungstechnischen Vorteil des Wegfalls der beiden bei 8 MHz arbeitenden Filter TP la,b nutzen zu können, bestehen zwei Lösungsmöglichkeiten. Die relative Zeitverschiebung von y1(k) und y2(k) um T2/4 kann in einem der beiden nachfolgenden Tiefpässe TP 2 kompensiert werden. Dadurch geht allerdings die Koeffizientensymmetrie in einem der beiden hochgradigen Filter verloren, was einen erheblichen Mehraufwand in der Schaltungstechnik hervorruft.
  • Die zweite Möglichkeit besteht in einer leichten Modifikation des Demodulationsalgorithmus' ohne jeglichen Zusatzaufwand. Wendet man nämlich den unter Abschnitt 2 erläuterten Algorithmus auf die Signale und unverändert an, so erhält man für Das Nutzsignal v<kT3) erhält man daraus unmittelbar, indem man die arcsin -Tafel durch eine Tafel ersetzt, die den in (21) gegebenen Zusammenhang beinhaltet. Das gesamte Blockschaltbild einer effizienten digitalen Realisierung der FM-Demodulation zeigt Bild 4.
  • Als hauptsächlicher Aufwand dieser Lösung verbleibt das Tiefpaß-Paar TP 2. Diese Systeme arbeiten mit einer Eingangsabtastfrequenz von 2.14 MHz; am Ausgang jedoch erfolgt eine Heruntersetzung um den Faktor 4, woraus sich - bei einer nichtrekursiven Lösung - eine Reduktion der Multiplikationsrate um eben diesen Faktor 4 ergibt /5/.
  • In Hinblick auf den gesamten Schaltungsaufwand ist dem Entwurf dieser Filter besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Obliche Entwurfsverfahren mit dem Ziel, ideale Tiefpässe möglichst optimal zu approximieren /6/, scheiden aus, da beim vorliegenden Problem ein Frequenz-Verlauf ähnlich der Gauß'schen Fehlerkurve angestrebt wird. Deshalb wurde hier ein Wunschverlauf gemäß Bild 5 angesetzt.
  • Ein solcher Verlauf wurde nach der modifizierten Fourier-Approximation unter Anwendung des KaiserFensters" angenähert /4/.
  • FUr die Werte r = o,875 , fo = 80 kHz Kaiserfenster-Parameter ar # 2,5 ergab sich ein Filter vom Grad-n = 38. Die Bilder 6a und 6b zeigen die Impulsantwort und den Betrag der Obertragungsfunktion. Bei Ausnutzung der Koeffizientensyumetrie und bei geeigneter Normierung auf einen glatten Wert" des Mittenkoeffizienten sind also 19 Multiplikationen jeweils in einer Zeit von T3 = 1,869 iis auszuführen Als Realisierung bietet sich dazu die sogenannte "Verteilte Arithmetik" an, bei der Xultiplizierer und Addierer durch einen gewissen Auf-Wand an Festwert-Speichern und einen Akkumulator ersetzt werden /7/. Insbesondere ist zu prüfen, i-nwieweit hier hochintegrierte IICS-3austeine venendet werden können, Mi so zu einer effizienten Realisierung mit geringer Verlustleistung zu kommen.
  • 4. Simulationsergebnisse Im folgenden werden Simulatior.sergebnisse wiedergegeben, die die Funktionsfähigkeit der hier vorgestellten Algorithmen demonstrieren.
  • Dazu wurde das Blockschaltbild nach Bild 2 im Zeitbereich simuliert.
  • Das Programm erlaubt die Veränderung aller wesentlichen Parameter.
  • Die Signalverläufe an den verschiedenen Punkten des Systems können über Bildschirm oder Plotter ausgegeben werden.
  • Die Bilder 7a ... d zeigen die einzelnen Signalverläufe bei sinusförmiger Modulation (Frequenzhub 75 kHz; Frequenz des NF-Signals 15 kHz). In diesem Falle wurde zunächst das Tiefpaß-Paar TP2 herausgelassen, um die Funktion des Demodulators selbst zu prüfen. Das mit 8,56 MHz abgetastete ZF-Signal (10, 7 MHz) führt auf das in Bild 7b wiedergegebene FM-Signal mit f0 = 2,14 MHz = fA/4. Nach der Multiplikation mit dem kosinusfidrmigen Träger erkennt man in Bild 7c die Oberlagerung eines Basisbandsignals cos (fl LT v(t)d] mit dem doppelten Träger der Frequenz fA/2. Es ist hier unmittelbar zu sehen, daß das Basisbandsignal daraus durch Unterabtastung um den Faktor 2 bzw. 4 direkt zu gewinnen ist - dieses entspricht der Lösung gemäß Bild 4. Im vorliegenden Fall wird diese Funktion von dem Tiefpaß-Paar TP1 wahrgenommen; das Ausgangssignal von TPla zeigt Bild 7d. Das Ausgangssignal des Demodulators vor der arcsin-Tafel ist in Bild 8 dargestellt. Die Zeitachse ist hier gegenüber den Bildern 7a ... d um def Faktor 16 (gemäß Unterabtastungsfaktor des Gesamtsystems) gestaucht.
  • Man erkennt im oszillierenden Signal eine leichte Abflachung der Minima und Maxima. In der nachfolgenden arcsin-Tafel wird diese Verzerrung korrigiert.
  • Bild 9 gibt den Signalverlauf am Eingang der arcsin-Tafel wieder, wenn das Empfängersystem mit einem übermodulierten FM-Signal gespeist wireS (Frequenzhub 150 kHz, NF-Frequenz 15 kHz). Man erkennt hier in den Extremwerten Einbrüche, die durch Aussteuerung der Sinus-Kennlinie über + n hinaus entstehen. Die nachfolgende arcsin-Tafel kann hieraus nicht mehr eindeutig ein sinusförmiges Signal rekonstruieren. Bild lo schließlich zeigt den Einfluß einer Sender-Verstimmung um 25 kHz auf das demodulierte Signal Man erkennt neben einer Gleichverschiebung die unsymmetrische Aussteuerung der Sinus-Kennlinie. Nach der arcsin-Umsetzung wird daraus ein sinusförmiges Signal mit einer Gleichkompotente.
  • Abschließend zeigen die Bilder 11 und 12 den Einfluß der Bandbegrenzung durch die Tiefpässe TP2. Sie besitzen die in Abschnitt 3 wiedergegebenen Eigenschaften (Bild 6a, b).
  • Bei einem maximal modulierten FM-Signal (F = 75 kHz, NF-Frequenz 15 kHz) erhält man nach der Demodulation ein verzerrtes Signal (vgl. Bild 11).
  • Diese Verzerrung ergibt sich allein aus der Bandbegrenzung; Phasenverzerrungen bestehen nicht. Wird der Frequenzhub reduziert, so reduzieren sich ebenfalls die nichtlinearen Verzerrungen. Bild 12 macht dieses deutlich (Frequenzhub 40 kHz, NF-Frequenz 15 kHz).
  • Anhang: Es soll untersucht werden, welche linearen Verzerrungen das Signal gegenüber dem Nutzsignal v(kT) besitzt.
  • Bild A 1 illustriert, auf welche Weise v(kT) durch Hintereinanderschaltung eines analogen Integrierers und eines zeitdlskreten Differenzierers aus v(t) erzeugt werden kann.
  • Dabei gilt für die beiden Teilsysteme Daraus enthält man den Betrag der Fourier-Transfonmierten von v (kT): Das korrekte Nutzsignal v(kT) ist also aus dem Demodulator-Ausgangssignal v.(kT) zu gewinnen, indem dieses ein linearphasiges Entzerrernetzwerk mit dem Betragsfrequenzgang durchläuft.
  • Gleichzeitig hat dieses Filter die Aufgabe, die Rauschbandbreite auf den NF-Nutzbereich 0 # # # #g zu begrenzen. Der Frequenzgang eines geeigneten Entzerrerfilters HEZ (#)# für die Abtastfrequenz 1/T = 535 kHz ist in 8ild A.2 wiedergegeben. Der leicht ansteigende Verlauf im Durch-1 ai3berei cii ist zu erkennen (bei der Grenzfrequenz fg = 55 kHz ergibt sich eine Oberhöhung um den Faktor 1,c198).
  • Literatur /1/ E.M. Drogin Steering on course to safer air travel, Electron., S. 95-102, Nov. 27, 1967 /2/ S.K. Ray A New Method of the Demodulation of FM Signals,, IEEE Trans. on Com., S. 142-lß4, Vol. COM - 28, Nr. 1, Jan. 1980 /3/ W.C. Lindsey; C.M. Chie A Survey of Digital Phase-Locked Loops, Proceedings of the IEEE, Vol. 69, Nr. 4, S. 410-431, April 1981 /4/ H. W. Schüßler Digitale Systeme zur Signalverarbeitung, Springer-Verlag, Berlin 1973 /5/ K.D. Kammeyer, H. Schenk Ein flexibles Experimentiersystem fur die Datenübertragungim Fernsprechbereich FREQUENZ Band 33 Nr. 5, 1979, S. 141-145 (Teil I) Band 33 Nr. 6, 1979, S. 165-172 (Teil II) /6/ T.W. Parks, J.H.-Mc Clellan A Programm for the Design of Linear Phase Finite Impulse Response Digital Filters, IEEE Trans. on Audio Acc., Bd. AU - 20, 1972, S. 195-199 /7/ K.D. Kammeyer Quantization Error Analysis of Nonrecursive Filters in Distributed Arithmetic, AEO Band 32, 1977, Heft 11, S. 343-44o

Claims (14)

  1. Ansprüche 13 Verfahren zur Demodulation frequenzmodulierter Signale, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulation digital erfolgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzmodulierte Signal mit einer Abtastfrequenz (fA) abgetastet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das abgetastete Signal (g (kT) ) teils einer Vorzeichenumkehreinrichtung zugeführt ist.
  4. 4. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Demodulator digitale Tiefpässe vorgeschaltet sind.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Teifpässeu entnehmebaren Signals (63 (kT) ; 64 (kT)) jeweils verzögert und mit dem jeweiligen Hilbert-transformieren Signal multipliziert werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die multiplizierten Signale (g5 (k2), g6 (kr) ) addiert und der Arcussinus dieses Signals gebildet wird.
  7. 7. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Tiefpässen entnehmbare Signal (g3 (k2), g4 (k) ) zur Korrektur der Anplitude Verwendung findet.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfrequenz größer als 300 kHz ist.
  9. 9. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine bei einer Verstimmung auftretende Gleichspannung zur Nachregelung der Abstimnung dient.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Filter nichtrekursiv ausgebildet sind.
  11. 11. Verfahren nach einen der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der tiefpaß als zweifacher, digitaler tiefpaß ausgeführt ist.
  12. 12. Empfänger für frequenzmodulierte Signale mit einer ZI1Nschstufe und zumindest einem Bandfilter und einem Demodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Analog-Digitalwandler vorgesehen ist, dem ein digitaler Frequenzdemodulator nachgeschaltet ist.
  13. 13. Empfänger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digitalwandler nach der Abtastung durch die Abtastfrequenz angeordnet ist.
  14. 14. Empfänger nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaß als "Kaiser-Fenster" angenähert ist, und dem Tiefpaß eine weitere Abtastvorrichtung geringerer Abtastfrequenz folgt.
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