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24 BESCHREIBUNG: 25 FM - DEMODULÄTOR - SCHALTUNG ZUR REDUZIERUNG DES
26 STOERPEGELS IM DEMODULATIONSERGEBNIS.
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27 Ansaben zur Gattung: 28 Eteim Empfans von FM - signalen soll der
29 untere Grenze des Empfanss ansehoben werden.
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30 Es sollen noch z.B. UKW-Signale empfanssfaghis 31 sein, deren Nutz/Rauschverhaeltnis
bis zu dB, 32 und deren Nutz/Impuls-Stoerverhaeltnis bis zu 40 dB schlechter sein
darf, als bei konventionellen 34 Empfsengern (Mono).
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35 Impulsstuerungen sind Stoerunsen von z.B. Zuendfunken 36 und elektrischen
Geraeten.
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37 Weiterhin soll eine Verbesserung bei Gleich-38 wellenempfand erreicht
werden. Diese Stoerer sind Sender auf leichcr Freouenz oder 40 speziell im Gebirse
reflektierte Wellen des 41 empfandenen Senders, die spaeter eintreffen 42 Stand
der Technik: 43 FM - Demodulatoren, wie Ratiodetektor 44 oder sehnliche werten FM
- Signale stets 45 in der vollen FM - Bandbreite gleichzeitis aus Kritik; 47 Die
volle Bandbreite beinhaltet aber auch 48 stets die Stoeramplituden der vollen 49
Bondbreite, 50 Dadurch erreichen die Stoeramalituden 51 eher als notwendis die Amplitude
des Nutzsisnales.
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52 Ab dem sosenennten Schwellwert sinkt das 53 demodulierte (NF) Nutz/Stoerverhaeltnis
abrupt ab, 54 Der Unterschied zwischen einem gut zu 55 empfandendem Signal und einem
total 56 verrauschtem liest bei nur ca, 6 dB HF, 57 Stoarunsen von Isfulsen unterdruecken
58 kurzzeitis voellis des Nutzsignal, auch 59 wenn die Stoeramplitude ohne Schwellwert
60 kaum stoeren wuerde.
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61 Siehe Meinke / Gundelach, 62 Taschenbuch der Hochfreauenztechnik,
63 Kapitel Moduletion, 64 Rauschstoerunsen bei idealem Amplituden-65 besrenzer,
66 Aufsabe: 67 Durch eine Schaltuns ist nur der unmittel-68 bare "Standort" des
FM - Sisnals auszuwerten.
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69 Alle Signale, die von der Momentan - Frequenz 70 des Signals verschieden
sind, sollen unter-71 drueckt werden.
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72 Loesung: 73 Dss ist annaehernd dadurch zu erreichen.
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74 dass man eine ZF b bildet, bei der der Misch-75 oszillator (wie
bei der automatischen Fre-76 quenzkorrektur) durch das Demodulations-77 ersebnis
so0 sesensteuert wird, dass die 78 erhaltene ZF gerinsere Frequenzmodulation 79
besitzt.
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80 Diese ZF mit einem empfchlenen Modulations-81 Index M<1 kann
man als Traeser mit 2 82 Seitenbaendern betrachten.
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83 Diese FM schickt man ueber ein moeslichst 84 schmalbandises Filter,
das die Stoersignale red@iert.
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85 Beim Versuch wurde ein Einkreisfilter mit 86 200 Hz Bandbreite
verwendet. (UKW - Rundfunk) 87 Gesenueber 200 kHz Empfands - Bandbreite 88 werden
statistische Signale (Rauschen) um 89 cs. 30 dB, und gleichphasise Signale 90 (Impulsstoerungen)
un 60 dB HF-Amplitude 91 reduziert.
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92 Erzielbare Vorteile: 93 Wenn die Stoeramplituden drastisch ver-94
kleinert werden, ist ihre Stoermodulation 95 auch bei schlechterem HF - Nutz/Stoerver-96
haeltnis noch im proportionalen Bereich.
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97 D.h. das Verhaeltnis der Stoersrade von 98 HF und NF bleiben proportional.
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99 Empfangssignale, die herkoemmlich total 100 verrauscht sind, koennen
noch mit guter 101 Qualitaet empfangen werden. insbesondere 102 dann, wenn man auf
die volle NF - Band-103 breite verzichtet.
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104 Im Test wurden kraeftige Zuendstoerungen 105 drestisch reduziert.
(UKW-Rundfunk) 106 Bei Stoerungen durch Gleichwellen trat 107 eine erhebliche Verbesserung
ein.
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108 Die erzielberen Vorteile sind in Bild 2.1 fuer 109 1 kHz und Bild
2.2 fuer 15 kHz eingezeichnet.
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110 Die Diseramme beziehen sich auf volle Modulation 111 UKW-Rundfunk-Norm.
Sie zeisen die Funktion des 112 demodulierten Nutz/Stoerverhaeltnisses in Abhzensigkeit
113 vom HF-Nutz/Stoerverhaeltnis bei Impuls- und 114 Rauschstoerungen.
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115 nie beiden Jeweils rechten Kurventeile zeisen den 116 Verlauf
beim herkoemmlichen FM-Demodulator.
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1:17 Die jeweils linken Diasramme zeigen den Verlauf feuer 118 Impuls-
und Rauschstoerungen bei 200 Hz BB ohne 119 Frequenzverdoppler.
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120 Die allen Kurven gemeinsame Gerade (Proportionalbereich) 121 ist
nur aus optischen Gruenden unterbrochen.
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122 Bei entsprechender Auslegung ist die Schaltung selektiv.
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123 Ä AUSFUEHRUNGSBESCHREIBUNG ALLGEMEIN: 124 In Bild 1.1 ist das
Blockschaltbild der 125 Erfindung dergestellt.
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126 Das nichtbesrenzte, (ueblicherweise vorselektierte) FH -127 Signal
F1 wird zum schwaecher modulierten FM -128 Signal F20 gemischt. Es durchlaeuft mindestens
ein 129 Filter mit geringer Bandbreite und geht 130 als F21 zum Besrenzer, Die Bandbreite
(-3 dB darf 131 erheblich kleiner sein als des Doppelte der 132 Modulationsfrequenz
(en). Vor Erreichen des (der) Filter 133 gollen die Signale F1 und F20 ausreichend
vorverstaerkt 134 sein, um den Signal/Rauschabstand der Schaltung zu 135 sewsehrleisten
(Eisenrauschen) und um dederzeit 136 de Begrenzer auszusteuern. Das begrenzte Signal
137 F22 wird in einem beliebigen FM - Demo-138 durlator demoduliert. Das Ergebnis
ist NF1.
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139 (NF: Nutzfressenz: Demodulationgersebnis, vorwiegend 140 Niederfrequenz.)
Ueber eine Anpassung mit z.B.
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141 Verstaerker(n), Tiefpass und $$f. Phasenkorrektur erhaelt 142
man NF2, das Mutzsignal und Ansteuergignal 143 des VCO. Dessen Fresuenz F3 wird
50 gefuehrt, 144 dass mit F1 das Signal F20 entsteht.
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145 Die Schleifenverstaerkung (open Loop) soll so gewaehlt 146 werden,
dass sie auch foer die @@f. absesenkten 147 Seitenbaender > 1 ist.
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148 Als gut geeigneter FM- Demodulator hat sich 149 der in Bild 1.2
gezeiste Phasenvergleicher 150 mit einer Festfrequenz gezeist. (Anspruch 2).
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151 Die ZF wird dann phasensterr zur Festfrequenz gereselt.
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152 Ein weiterer Ausbau ist mit dem in Bild 1.3 (Anspruch 3) 153 gezeisten
Verfahren durch Frequenzwerdoppluns 154 oder -Vervielfachuns moeslich. auch mit
anderen Demodu-155 latoren. Hier werden auch nach Signale mit Uebermodu-156 lation
mit 180 Grad Phasenspruenden ausse-157 wertet. Bei allen Bausruppen handelt es sich
um 158 bekannte Technik.
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159 Auf die Einhaltung der Phasen-Badinsungen muss seachtet 160 werden,
wie es aus der Raseltechnik bekannt ist.
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161 Beim VCO, dem Phasenversleich und der 162 Frequenzverdopplons
ist es sleichdueltis, 163 ob sie mit Analos- oder Losikhausteinen 164 arbeiten.
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165 Durch Besrenzung des VCO - Hubes (NF2) er zielt man 166 sselektive
Eisenschaften und kann $$f. auf weitere 167 Selektionsmittel (Filter) verzichten.
Der VCO mit 168 Mischer kann direkt als Mischer im Turner arbeiten.
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169 B SCHALTUNSSBESCHREIBUNG: 170 Ausfuehrunssbeispiel fuer einen
UKW Rundfunkemsfaender.
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171 B.1 BEGRIFFSBESTIMMUNG; 172 FM Fresuenzmodulation, auch durch
Phasenmodulation 173 erzeuste.
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174 HF Hochfrequenz, hier insbesondere Freguenzen eb 175 4 MHz.
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176 ZF Zwischenfrequenz 177 NF Nutzfreouenz : Niederfrequenz und/oder
Modulstions-178 bzw. Bemodulationsfrequenzen allsemein.
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179 AM Amplitudenmodulation, auch durch Stoersignale 180 verursachte.
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181 VCO Voltese Controlled Oszillstor.
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182 M Modulationsindex; Fresuenzhub/NF, 183 n Uebertragunssverhseltnis
Traeser/Seitenband, 184 Uebermodulation: Seitenbsender oder Schwebuns 185 bzw. beides
zusammen 186 ueberschreiten oder erreichen die Traeseramelitude.
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187 Schwellwert: Stoeramplitude Spitzenwerte erreichen 188 Nutzamplitude.
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189 Befinition: 190 Stoeramplitude eff. = 1/3 Nutzemplitude eff.
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191 Loop: Reselschleife, hier zur Reduzieruns von M der ZF, 192 B.2
ALLGEMEINES: 193 Alle senannte Werte fuer Bandbreite, Modulationsinden, 194 Frequenzen
usw. sind unverbindliche Werte, die sich nur 195 auf das Ausfuehrunssbeispiel beziehen.
Der Demodulator 196 wird anstelle des Ratiodetcktors bzw. aehnlichcr 197 Demodulatoren
einsesetzt. Er erhaelt eine Einsanes - FM 198 - Signal F1 von z.B. 10,7 MHz, das
im Unterschied zu 199 bisherisen Emrfaensern 200 :: :::. :> :>;.::. nicht
besrenzt wurde 201 Weil auch Stoersignale reduziert werden, die die 202 Nutzemplitude
erheblich uebersteisen, muss eine 203 entsprechende Aussteuerunssreserve da sein.
Ds die 204 genannten Stoerungen auch bei starkem Signal auftreten 205 koennen, wird
wie bei AM eine automatische Verstaerkungs -206 Reseluns empfohlen. Die Schaltuns
ist voll intesrations-207 faehis, bis auf die Filter und externe Kondensetoren.
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208 B.3 DER MISCHER: 209 Im Mischer wird des Einsanssignal F1 auf
eine andere 210 Frequenz F20 semischt, z.B. 4 MHz. Die Wahl dieser 211 Frequenz
erfolst nach rein praktischen Gruenden, soll 212 aber nicht niedriger liccn, denn
die LOUP soll bis 1 MHz 213 arbeiten. Die Mischfrequenz stemmt vom spaeter 214 beschriebenen
VCO, der die Freguenz F20 annsehernd 215 konstant haelt.
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216 B.4 DAS FILTER: 217 Nach dem Mischer wird F20 auf ein Filter seschickt,
218 dessen Bandbreite erheblich niedriser als die ZF 219 Bandbreite (ca. 200 kHz)
ist Der Zweck des. Filters ist 220 eine Absenkuns der Stoersignale, damit diese
moeslichst 221 kleiner als der Traeser bleiben. Im Versuchsaufbau wurde eine Bandbreite
von ca. 200 Hz verwendet. Es wird ein 223 sammetrisches Filter empfohlen, dessen
Phasenverlauf bis 224 +/-i MHz oder mehr definiert ist. Es wurde mit einen 225 4
MHz - Quarz aussefuehrt, bei dem darauf zu achten ist, 226 dass es keine weiteren
Serienresonanzen zwischen 2 und 227 6 MHz hat. Die Bandbreite des Quarzes wurde
durch einen 228 Serienwiderstand erhoeht.
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229 B.5 DER BEGRENZER; 230 Nach dem Filter durchlaeuft F21 einen Besrenzer,
an 231 dessen Qualitaet hoehere Anforden sestellt werden 232 als bei bisherisen
Empfaensern. Die Gruende werden in 233 der Funktionsbeschreibuns darselest, Das
im Versuch 234 verwendete IC S 041 P (Siemens), Besrenzerteil, hatte 235 nicht die
sewuenschte Gualitaet.
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236 B.6 DER DEMODULATOR: 237 Der Demodulator kann ein herkoemmliches
Swstem sein, wie 238 z.B. Ratiodetektor oder PLL. Im Versuch laden die 239 Vorteile
bei einem Phasenversleicher mit einem 240 Festfrequenz - Oszillator mit z.B. einem
4 MHz - Guarz, 241 Hier wurde das IC S 042 P mit einem Quarz selbstschwinsend 242
verwendet. Mit TTL -- Losik - IC's ist das vielleicht 243 elesenter zu loesen. Beide
vorsenannten Methoden sind 244 anwendbar, wenn des F22 - Signal nach dem Besrenzer
245 verdoppelt oder vervielfacht wird, Letzteres brinst 246 Vorteile bei Stoersignalen,
die hoeher als das Nutzsignal 247 sind.
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248 B.7 VERSTAERKER MIT TIEFPASS: 249 Das Ersebnis des Phasen- oder
FM - Demodulators wird mit 250 einem Anpassverstaerker mit Tiefeass und $$f.
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251 Phasenhorrektur an den VCO (Voltade controlled oscillator 252
ansepasst. Der Tiefass filtert die 253 Traeserfrequenzen von ca. 8 MHz in unserem
Beispiel 254 heraus. 4 MHz Grundfresuenz tritt bei einer mittleren 255 Phasenlase
von 90 Grad kaum auf. Damit die Schleife 256 stabil ist, muss die Phasenlase definiert
sein und $$f.
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257 korrisiert werden, Je hoeher die oren - Loop -258 Verstserkuns
ist, um so sauberer funktioniert der 259 Demodulator und desto hoeher liest die
Grenz- frequenz.
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260 Wesen des relativ hohen HF - Pe Pesels in der NFl und der 261
hohen Arbeits- Frequenz der Loop sind Operationswerstaerker 262 zehr schlecht seeignet.
Vor dem Einsans zum VCO ist das 263 Demodulationssignal NF2 verfuember.
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264 B.8 DER VCO: 265 Der VCO schwinst auf einer Freauenz, die mit
F1 des 266 Mischersebnis F20 erzeust. In der Schleife erfolst eine 267 Nachfuehrund
des VCO in der Weise, dass F20 eine 268 >>>>>>auasi konstante
Freouenz <<<<<< 269 ist, F20 besitzt eine moeslichst kleine Rest
FM mit 270 einem Modulationsindex M<1, Der VCO sollte eine 271 moeslichst serzde
Kennlinie besitzen, de NF2 mit 272 deren Kruemmuns verzerrt wird. Andernfalls ist
eine 273 Entzerruns im NF - Ausdans noetis, Fuer einen 274 selbstschwinsenden Mischer
ist das IC S 042 P deeignet.
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275 Zur Abstismung diente eine C - Diode BB 204. Eine strens 276 semmetrische
Schaltuns im Ein- und Aussang, mit einer 277 Mittenfreauenz von 14,7 MHz, erreicht
eine sute 278 Unterdrueckuns der Oszilletor- und Einsanssfrequenz, 279 Es ist wichtis,
dass solche Freouenzen keinesfalle den 280 Besrenzer erreichen, Ber Hub derch die
C - Biode sollte 281 durch Clieger auf +/- 0,5 @Hz besrenzt werden.
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282 Eine Besrenzuns von NF2 auf +/- 100KH VCO - Hub gibt 283 der Schaltuns
selektive Eigenschaft.
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284 B.9 DER FREQUENZUVERDOPPLER; 285 Hierzu dient ein z.B. Monoflog,
der bei deder Flanke von 286 F22 setrissert wird und Impulsverhaeltnis ca. 111 haben
287 sollte. Ein Nachtrisdern, d.h. eine Impulsverlaenderung 288 durch einen Trisser
ist zu vermeiden, Fuer den Aufbau 289 eisnet sich TTL - Losik.
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290 C FUNNTIONSSESCHREIBUNG: 291 Ausfuehrunssbeiseiel fuer einen UKW
Rundfunkemefsenser.
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292 C.1 NUTZSIGNAL: 293 Das nichtbesrenzte Einsanssignal F1 wird auf
die 294 Frequenz F20 semischt. Durch die Nachfuehruns des VCO 295 ist F20 eine nehezu
konstante Fresuenz von z.B. 4 MHz 296 mit einem Modulstionsindex M<1. In diesem
Falle reicht 297 die Auswertuns der beiden Seitenbsender, die den Tisener 298 en
neschsten sind. Dann ereicht F20 das Filter. Der 299 Treader sitzt theoretisch @enau
im Scheitelaukt der 300 Filterkurve. Seitenbsender, die nicht in die Pandbreite
301 der Kurve passen, werden durch die Flanken cm den Faktor 302 n abmeschwsecht,
sodass der Modulstionsindex M<1 wird.
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303 Der Besrenzer ist fuer des reine Mutzsignal theoretisch 304 chne
Bedeutuns, Nun wird das Signal demuduliert (FM oder 305 Phase) und auf den VCO zuruecksefuehrt.
Bie open - Loop -306 Verstaerkuns muss nun so sross sein, dass die Absenkuns 307
der Seitenbsender kompensiert wird. Beim Idealfall ist 308 die Verstserkuns unendlich
und damit der Einsans am VCO 309 ein exaktes Abbild der FM des Nutasignals. Nichtlinetie
310 Verzerrunsen durch das schmele Filter werden de nach 311 Verstaerkuns praktisch
behoben.
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312 C.2 STOERSIGNALE: 313 Bei den Stoersisnalen sibt es 2 Gruppen:
314 8) Statistische Signale (Rauschen) 315 b) Phasensleiche Sisnale (Elektrische
Funken, 316 Impulsstcerunsen) 317 Wenn diese Signale die Amplitude des Nutzsisnals
318 erreichen, dann wird der sodenannte Schwellwert. erreicht, 319 ab dem das Nutz-/Stoerverhaeltnis
rapide abnimmt. Das 320 sind in Bild 2 die Punkte (3) bei Rauschen und (4) bei 321
Impulsstoerunsen.
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322 Nimmt man eine Bandbreite von 200 kHz ans und schickt 323 diese
Sisnale ueber ein Filter mit z.B. 200 Hz Bandbreite, 324 dann werden statistische
Sisnale um Faktor 31 und 325 sleichphasise Sisnale um Faktor 1000 (1) abseschwescht,
326 Damit erreichen diese Sisnale erst bei einem viel 327 hoeheren Stoersrad die
Trseseramelitude. Weil nun 328 die Seitenbaender des Nutzsisnales durch das Filter
329 ebenfalls absesenkt werden, bleibt das Stoerverhaeltni 330 unveraendert. Nach
Bild 2 befinden wir uns im 331 Proportionalbereich bis zu den Punkten (1) oder 92)
wo 32 der Schwellwert bei 200 Hz DB fuer Impulsstnerunsen (1> 333 oder Rauschen
(2) erreicht wird.
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334 C.3 UEBERMODULATION DURCH STOERSIGNALE: 335 Falls auch das schmalbandise
Stoersignal die Nutzemplitude 336 erreicht : im senennten Beiseiel sind des nur
noch 337 Stoeramplituden mit bis zu etwa 200 Hz um den Traeser.
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338 Wesen der niedrisen Bandbreite ist ihre Fhasendifferenz-339 Geschwindiskeit
recht klein und ausserdem besteht ein 340 Suter Anteil aus reiner AM. Hier entstchen
Stoerunden 341 (Schroteffekt) durch Fehler des Besrenzers der fuer jede 342 Freauenz
n - mal so stark in der NF auftritt, und durch 343 den 180 Grad Phasenspruns, der
bei Uebermodulation 344 >>>>>> auch bei reiner AM <<<<<<
345 auftritt. Gesen den reinen Fhasensprund sibt es 346 eine Hilfe: Siehe Freauenzverdoppler,
B.9 347 C,4 GLEICHWELLENUNTERDRUECKUNG; 348 Durch Echos und Sender auf dem sleichen
kanal erscheinen 349 Gleichwellen, Wesen der Phesendifferenz Geschwindistert 350
stoeren Gleichwellen in einem Abstand von einisen kHn 351 em stserksten. Durch die
Abmenkuns an der Filterflenke 352 wird eine ueberstarke Modulation wie bei anderen
353 Stoerspanunsen vermieden und in der MF zeist sich eine 354 deutliche Verbesseruns.
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355 C.5 VERZERRUNGEN DURCH SIGERPEGEL: 356 Die Stoermodulation kann
man sich so vorstellen, als 357 entstuende wie im Begrenzer. Da nun die Schleife
auch 358 diese Modulation ausgleichen will, ersibt sich ein 359 scheinberer Trseger,
der nicht mit dem Nutztraeger 360 identisch ist. Tradurch wird der Nutztraeger hin
- und 361 hersewobbelt. Dadurch treten Verzerrungen insbesondere 362 bei niedrigen
Modulstionsfreouenzen auf, die die Schleife 363 nicht aussleichen kann.
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364 C.6 BEGRENZERPROBLEME: 365 Der Besrenzer selbst erzeust ebenfalls
Stoer -366 Phasenmodulationen bei reiner ÄM durch 367 am@litudenabhaensise Phase.
Diese Modulation versucht 368 die Schleife wieder auszusleichen. Bevor die 369 Gesenmodulation
aber den Besrenzer erreicht, laeuft sie 370 ueber des Filter und wird n - mal abseschwaecht.
Darum 371 muss n - mal staerker sesensesteuert werden, Das heisst, 372 dass Fehler
aus dem Besrenzer n-fach in der NF auftreter.# 373 Äus diesem Grund soll der Besrenzer
mindestens Faktor 10 374 kleinere Phasenfehler haben, als herkoemmlich.
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375 n DIMENSIONIERUNGSVORSCHLAG PHASE + VERSTAERKUNG: 376 Ausfuehrunssbeispiel
fuer einen UKW Rundfunkempfaenger.
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377 Die bezeichneten Diagramme enthaelt Bilg 3.
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378 Da eine falsch dimensionierte Loop zum Schwingen nelst, 379 muss
erreicht werden, dass 180 Grad Phasendrehung erst 380 bei Open-Loop-Verstaerkung
VL< eintritt [ P3 ].
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381 D.1 FILTER: 382 Hier reicht eine 1-Kreis- Schaltung mit ca.
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383 300 Hz Bandbreite, Bei ca, 200 kHz Basis-Breite seht die 384 Schaltuns
in Breitbandverstaerkuns ueber [V1], Die 385 Schaltuns hat im Bereich der Modulationsfrequenzen
100 Hz bis bis 100 kHz 90 Grad Phasenverschiebuns, auch im 37 demodulierten Signal
[ Pl 3. Realisierbar ist diese 388 Schaltuns z.B. mit einem Keramik- oder Quarzfilter,
das 389 sesen hoehere Selektion seshuntET IST.
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390 D.2 DEMODULATOR UND VERSTAERKER: 391 Die Verstserkuns ist definiert
Vv h Hub VCO / Hub vor 392 Demodulstor, Ein FM - Demodulator liefert ein Sisnal,
393 das phasenrein dem Hub proportional ist.
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394 Unter 100 Hz sollte die Versteerkuns ansehoben werden, 395 ueber
100 kHz soll sie abfallen.
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396 Ein Phasendemodulator liefert ein intersriertes Sisnal 397 mit
unendlicher Verstserkuns fuer den Traeser, fallend 398 mit zunehmender Modulstionsfreauenz.
Fuer den Bereich 399 100 Hz bis 100 kHz wird deher ein Differenzier -400 Verstserker
sebraucht, dessen Verstaerkuns proportional 401 mit der Freouenz steist [V2]. Die
Phasenlase ersibt+ sich dann nach C P2 3. Ab 4 MHz muessen dann die HF -403 Anteile
des Demodulators aussesiebt werden.
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404 D.3 OPEN LOOP GESAMT : 405 Die resultierende Open - Loop - Verstaerkung
zeist [ V3 ], 406 Die Verstaerkung ist hier so gewaehlt, dass bei +/- 75 407 kHz
Hub an F20 ein Modulationsindex M = 0,1 entsteht.
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408 Die ideals Phasenlage fuer VL zeist [ P3 ]. Wie beim 409 Operationsverstaerker
Detraest die Phasenlage 90 Grad 410 bis zur Transitfreauenz.
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