-
Die Erfindung betrifft eine Demodulationsschaltung für Frequenzumtastsignale nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
-
Eine solche Demodulationsschaltung ist aus der US-PS 38 46 708 bekannt. Die Verzögerungskompensationsschaltung besteht bei der bekannten Schaltung aus einer Interpolationseinrichtung, die das laufende Nulldurchgangsintervall und die zwei vorausgehenden Nulldurchgangsintervalle als Grundlage für die Berechnung einer Zeitverzögerung benutzt, um die das demodulierte Binärsignal korrigiert werden soll. Zum Zählen der einzelnen Nulldurchgangsintervalle sind separate Zähler vorgesehen. Aufgrund der Kompensation lassen sich die ursprünglichen Binärsignale ziemlich naturgetreu nachbilden. Beim Vergleich der Nulldurchgangsintervalle mit dem Schwellenwertintervall spielt die Festlegung des Schwellenwertintervalls bei der möglichst genauen Wiedergewinnung des demodulierten Binärsignals eine nicht unerhebliche Rolle. Abhängig von den gegebenen Frequenzen der Signale, Besonderheiten des Übertragungsweges und dergleichen kann von Fall zu Fall ein anderer optimaler Schwellenwert gegeben sein.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Demodulationsschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs angegebenen Art zu schaffen, die einerseits einen im Vergleich zum Stand der Technik vereinfachten Aufbau aufweist und andererseits die Möglichkeit bietet, unabhängig von der schaltungstechnischen Ausgestaltung bei Bedarf einen optimalen Wert für das Schwellenwertintervall einzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.
-
Die Vereinfachung der Schaltung gegenüber dem Stand der Technik wird dadurch erreicht, daß anstelle einer Vielzahl von voreinstellbaren Zählern ein Zähler in Verbindung mit einer Reihe von Registern verwendet wird, deren Inhalte über den Addierer in dem Akkumulatorregister summiert werden. Mit Hilfe des Schreib/Lesespeichers lassen sich unter Zugrundelegung eines Testwellenzugs Werte für das Schwellenwertintervall und die Vezögerungszeit speichern, die von der Optimierungsschaltung ermittelt werden.
-
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
-
Es zeigt
-
Fig. 1 (A) und (B) ein ursprüngliches Binärsignal bzw. ein FSK-Signal,
-
Fig. 2 (A) bis (F) Signalformen, wie sie an verschiedenen Stellen einer Demodulationsschaltung auftreten,
-
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer mit Zählvorrichtung arbeitenden FSK-Demodulationsschaltung,
-
Fig. 4 ein Blockdiagramm der in Fig. 3 allgemein dargestellten Demodulationsschaltung 5,
-
Fig. 5 eine Schaltungsskizze einer FSK-Demodulatorschaltung, bei der Maßnahmen getroffen sind, um abträgliche Einflüsse aufgrund von Rauschen auszuschalten,
-
Fig. 6 Impulsdiagramme zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Schaltung, und
-
Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen FSK-Demodulationsschaltung.
-
Fig. 1 zeigt bei (A) den zeitlichen Verlauf eines digitalisierten Binärsignals, bei (B) ein moduliertes Signal.
-
Fig. 2 zeigt Wellenformen an einigen Punkten der in Fig. 3 und 4 dargestellten Schaltung. In Fig. 2 (A) ist das ursprüngliche Binärsignal dargestellt, welches senderseitig einer FSK-Modulation (Frequenzumtastung) unterworfen und auf eine Übertragungsleitung gegeben wird. Ein empfangenes FSK-Signal 6 wird von einem Eingangsverstärker 1 in einem solchen Bereich verstärkt, daß die Amplitude einen bestimmten Spitzenwert nicht überschreiten kann. Durch ein Bandpaßfilter 2 wird aus dem FSK-Signal nur ein Modulationsfrequenzbank selektiert. Dann wird die Amplitude des Signals von einem Begrenzer 3 begrenzt. Dann wird das Signal von einem Vergleicher 4 in ein digitales Binärsignal 8 umgesetzt. Das Ausgangssignal 7 des Bandpaßfilters 2 ist in Fig. 2 (B) dargestellt, während das Ausgangssignal 8 des Vergleichers 4 in Fig. 2 (C) gezeigt ist. Das Ausgangssignal 8 des Vergleichers wird mittels einer Demodulatorschaltung 5 demoduliert und dann in ein demoduliertes Signal 9, das in Fig. 2 (E) dargestellt ist, umgesetzt. Bei der weiteren Verstärkung in der in Fig. 4 dargestellten Demodulatorschaltung 5 wird das Ausgangssignal 8 des Vergleichers durch eine in der Steuerschaltung 11 enthaltene Differenzierschaltung differenziert, um in ein Nulldurchgangssignal umgesetzt zu werden, das in Fig. 2 (D) dargestellt ist. Die einzelnen Impulse des Nulldurchgangssignals werden dann erzeugt, wenn das Ausgangssignal 7 des Bandpaßfilters (dieses ist in Fig. 2 (B) gezeigt) den Pegel "0" kreuzt. Wenn man also die Nulldurchgangsintervalle zählt, d. h. die Länge der Intervalle zwischen den Nulldurchgängen durch Zählen ermittelt, kann man die Frequenz der modulierten Signalwelle ermitteln. Aus dem Zählwert kann geschlossen werden, ob das ursprüngliche Signal eine Eins oder eine Null war. Bei der dargestellten Schaltung dient der Nulldurchgangszähler 12 zum Zählen des Nulldurchgangsintervalls, d. h. zum Ermitteln der Länge des Intervalls durch Zählen. In einer Beurteilungsschaltung 13 für das Demodulationsausgangssignal wird ein Wert eingestellt, der der halben Periodendauer der Mittenfrequenz der beiden unterschiedlichen Frequenzen der FSK-modulierten Signalwelle entspricht (im folgenden soll dieser Wert als Schwellenwertintervall bezeichnet werden). Der praktische Wert des Schwellenwertintervalls wird durch Versuche im Hinblick auf die Einflüsse durch das Filter, die Leitung und dergleichen ermittelt. Die Beurteilungsschaltung 13 beurteilt auf der Grundlage des Vergleichswerts zwischen dem Ausgangssignal 18 des Zählers 12 und dem Schwellenwertintervall, ob es sich bei dem Signal um eine Eins oder um eine Null handelt. Ein Demodulationsausgangssignal 19 gelangt an ein Ausgangs-Flip-Flop 14, wo es gespeichert wird, bis das nächste Nulldurchgangsintervall gezählt ist. In anderen Worten: Das Ausgangssignal 9 der Demodulatorschaltung wird auf einem konstanten Wert gehalten, während das Nulldurchgangsintervall gezählt wird, und eine Änderung des Ausgangssignals ist nur zum Zeitpunkt eines Nulldurchgangs möglich. Ein Taktgeber 10 erzeugt ein Taktsignal 16 für den Zähler 12. Dieses Taksignal 16 gelangt auch an die Steuerschaltung 11, welche mit diesem Taktsignal synchronisierte Steuersignale erzeugt. Aus dem differenzierten Signal (vergleiche Fig. 2 (D)) des Ausgangssignal 8 des Vergleichers werden ein Rücksetzsignal 17 zum Starten des Zählers und ein Speichersignal 15 zum Eingeben des aus den Zählwerten erhaltenen Demodulationssignals in das Flip-Flop 14 erzeugt.
-
Wie oben bereits erwähnt wurde, eignet sich das digital demodulierende Zählsystem für die Herstellung als IC, es benötigt keine speziellen Justierungen und ist über lange Zeiträume hinweg keinerlei Schwankungen unterworfen. Das geschilderte System mit Zählvorrichtung arbeitet jedoch insofern noch nicht vollständig zufriedenstellend, als ein Signal mit geringem Störabstand (S/N-Verhältnis) eine Demodulation schwierig machen kann, weil aufgrund von Rauschen Fehler beim Ermitteln der Nulldurchgänge auftreten können. Wenn beispielsweise in Fig. 2 (D) der Nulldurchgangspunkt u aufgrund von Rauschen um einen Zeitraum dt nach rechts verschoben wird, so wird das Zeitintervall T 20 dann zu T 20 + dt, und das Nulldurchgangsintervall T 21 wird zu T 21 + dt. Daher ist entsprechend dem Wert von dt der Wert von T 20 - dt möglicherweise kleiner als das Schwellenwertintervall, was zu einer fehlerhaften Demodulation führt, wie dies in Fig. 2 (F) angedeutet ist. Um diesen Nachteil auszuräumen, ist ein System denkbar, welchen N(N ≥ 2) Zähler zum Zählen der Nulldurchgangsintervalle verwendet.
-
In der in Fig. 5 dargestellten Schaltung sind als Verbesserung der Schaltung nach Fig. 4 (N = 4) Zähler 112, 113, 114 und 115 vorgesehen, die sämtlich identisch ausgebildet sind, sich jedoch von dem Zähler 112 dadurch unterscheiden, daß jeder Zähler vier Nulldurchgangsintervalle zählt, d. h. die Länge von vier aufeinanderfolgenden Intervallen zwischen einzelnen Nulldurchgängen durch Zählen ermittelt. Die Zähler beginnen mit dem Zählvorgang bei jedem Nulldurchgang, und zwar jeweils um ein Nulldurchgangsintervall verzögert. Wie aus Fig. 2 (D) hervorgeht, beginnt der Zähler 112 mit dem Zählvorgang beim Nulldurchgang a, der Zähler 113 beginnt beim Punkt b, der Zähler 114 beginnt beim Punkt c, und der Zähler 115 beginnt beim Punkt d . Jeder Zähler zählt vier Nulldurchgangsintervalle. Der Zähler 112 zählt ein Intervall, welches mit CNT 1 gekennzeichnet ist, der Zähler 113 das Intervall CNT 2, der Zähler 114 das Intervall CNT 3 und der Zähler 115 das Intervall CNT4. Ein Multiplexer 116 wählt unter den Ausgangssignalen 122 bis 125 das Signal desjenigen Zählers aus, der in der Reihenfolge seinen Zählvorgang beendet hat. Der Beginn des Zählvorganges der Zähler wird durch Rücksetzsignale 117 bis 120 gesteuert, die von einer Steuerschaltung 111 erzeugt werden. Der Multiplexer wird so gesteuert, daß er die Ausgangssignale der Zähler aufgrund eines ebenfalls von der Schaltung 111 erzeugten Auswahlsignals 121 auswählt. Wenn der Nulldurchgangszeitpunkt u gemäß Fig. 2 (D) um das Zeitintervall dt verschoben ist, zählt jeder Zähler in Fig. 5 die durchschnittliche Zeit von vier Nulldurchgangsintervallen. Unter Vermeidung oder Verringerung der Verzerrung entsprechend dt erhält man von jedem Zähler nacheinander Werte (T 16 + T 17 + T 18 + T 19)/4, (T 17 + T 18 + T 19 + T 20 + dt)/4, (T 18 + T 19 + T 20 + T 21)/4, (T 19 + T 20 + T 21 + T 22)/4, (T 20 + T 21 + T 22 + T 23)/-4 und (T 21 - dt + T 22 + T 23 + T 224)/4. Der Fehler verringert sich also auf dt/4, d. h. der Störabstand (das S/N-Verhältnis) wird bei dieser Anordnung im Vergleich zu der in Fig. 4 gezeigten Schaltung um das Vierfache verbessert. Allgemein wird der Störabstand um das N-fache verbessert, wenn N Zähler verwendet werden. Durch dieses Verfahren wird der dem zuerst erläuterten Zählsystem anhaftende, durch Rauschen bedingte Nachteil vermieden.
-
Dem Zählsystem haftet jedoch insofern ein Nachteil an, als die Verzerrung des demodulierten Binärsignals deshalb so groß ist, weil eine Änderung des demodulierten Ausgangssignals nur auf einen Nulldurchgangspunkt beschränkt ist. Dies soll unter Bezugnahme auf Fig. 6 näher erläutert werden. Hierzu soll ein System betrachtet werden, bei dem ein Zähler zum Erfassen der Nulldurchgangsintervalle verwendet wird. Dieser Gesichtspunkt gilt unabhängig von der Anzahl von Zählern, obwohl bei Verwendung von N Zählern ein kleiner Unterschied besteht. Fig. 6 (A) zeigt ein ursprüngliches Binärsignal auf der Senderseite. Bei einer Modulationsgeschwindigkeit oder Bitrate von B (Baud) beträgt die Zeit T eines Bits des ursprünglichen Binärsignals 1/B. Fig. 6 (B) zeigt ein FSK-Signal, das von einer Leitung empfangen wird, nachdem das ursprüngliche Binärsignal (1) einer Modulation unterworfen wurde. Fig. 6 (C) zeigt den Verlauf des entsprechenden Nulldurchgangssignals. Fig. 6 (D) zeigt ein Demodulationssignal, welches man aus den Vergleichswerten zwischen den Nulldurchgangsintervallen und dem Schwellenwertintervall erhält. Die Zeitspanne Te in Fig. 6 (D) soll der Zeit T in Fig. 6 (A) entsprechen. Da die Zeitspanne T 2 zwischen den Nulldurchgangspunkten b und c kleiner ist als das Schwellenwertintervall, wird zum Zeitpunkt c als Demodulationsausgangssignal entsprechend T 2 der Wert "0" ausgegeben. In ähnlicher Weise wird zum Zeitpunkt d als demoduliertes Ausgangssignal entsprechend T 3 der Wert "1" ausgegeben. Am Punkt h wird als demoduliertes Ausganssignal entsprechend dem Intervall T 7 der Wert "1" ausgegeben. Zum Zeitpunkt i wird als demoduliertes Ausgangssignal entsprechend dem Intervall T 8 der Wert "0" ausgegeben. Da sich also das demodulierte Ausgangssignal nur zum Zeitpunkt eines Nulldurchgangs ändern kann, ist die Verzögerungszeit zwischen dem Änderungszeitpunkt des ursprünglichen Binärsignals und dem Änderungszeitpunkt des demodulierten Signals nicht konstant, so daß die Zeitdauer eines Bits eines demodulierten Ausgangssignals Schwankungen unterworfen sein kann. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, ändert sich das demodulierte Ausgangssignal am Punkt d mit einer Zeitverzögerung Δ x bezüglich des Änderungszeitpunkts x von "0" auf "1".
-
Das demodulierte Ausgangssignal ändert sich im Zeitpunkt i mit einer Verzögerung Δ y bezüglich des Änderungszeitpunkts y von "1" auf "0". Daher erhält "Te" einen Wert, der T + (Δ y - Δ y) entspricht. Wenn der Maximal- bzw. der Minimal-Wert von Te dargestellt werden durch "Temax" bzw. "Temin", bezeichnen (Temax - T)/T bzw. (Temin - T)/T die Verzerrung. Es ist als weiterer Nachteil des Zählsystems anzusehen, daß die Verzerrung groß ist. Erfindungsgemäß wird eine Demodulatorschaltung zum Verringern der erwähnten Verzerrung verwendet. Eine solche Schaltung nach der Erfindung dient dazu, den aus Fig. 6 entnehmbaren Wert von (Δ y - Δ x) dem Wert 0 anzunähern, um die Verzerrung zu verringern. Hierzu wird eine Verzögerungskompensationsschaltung zum Verzögern des demodulierten Ausgangssignals eingesetzt. Die Änderung der Verzögerungszeit zwischen dem Änderungszeitpunkt des ursprünglichen Binärsignals und dem Änderungszeitpunkt des demodulierten Ausgangssignals wird verringert. Fig. 6 (E) zeigt ein von der erfindungsgemäßen Demodulatorschaltung abgegebenes, verzögertes ideales Demodulationssignal. Eine konstante Zeitverzögerung D zwischen dem Signaländerungszeitpunkt des ursprünglichen Binärsignals und dem Änderungszeitpunkt des demodulierten Ausgangssignals bestimmt sich als der Maximalwert von Δ x (Δ y) eines beliebigen Signals gemäß Fig. 6 (D). Bei jedem Nulldurchgang wird das demodulierte Signal erhalten durch die Vergleichswerte zwischen dem Schwellenwertintervall und dem Nulldurchgangsintervall des vorausgehenden Nulldurchgangs. Wenn das demodulierte Signal von dem beim vorhergehenden Nulldurchgang abgegebenen Signal abweicht, d. h., wenn sich das Signal von 0 auf 1 oder von 1 auf 0 ändert, wird das demodulierte Signal nicht unmittelbar am Nulldurchgang abgegeben, sondern es wird abgegeben, nachdem in geeigneter Weise eine Verzögerungszeit hinzugefügt wurde. Die Verzögerungzeit bei einem Nulldurchgang, wo sich das demodulierte Signal ändert, beispielsweise am Punkt d , bedeutet eine Schätzung des Signaländerungszeitpunkts x des ursprünglichen Binärsignals. Sie wird erhalten als der Wert (T - Δ x), der verbleibt, nachdem man die Verzögerungszeit Δ x zwischen x und d von der konstanten Verzögerungszeit D subtrahiert hat. Die Zeit Δ x zwischen dem geschätzten Änderungszeitpunkt x und dem Nulldurchgangspunkt d des ursprünglichen Binärsignals ist die Summe der Zeit Δ xc zwischen x und dem Punkt c und der Zeit Δ cd zwischen dem Punkt c und dem Punkt d. Diese Beziehung läßt sich ausdrücken durch Δ x = Δ xc = Δ cd. Δ cd ist gleich T 3. Δ xc hängt von den Werten von T 2 und T 3, der Kennlinie des Leitungs-Bandpassfilters und anderen Faktoren ab. Vorausgesetzt, daß die Kennlinien des Leitungs-Bandpassfilters und dergleichen durch Versuche ermittelt werden können, kann man Δ x aus den Werten von T 2 und T 3 erhalten. Somit kann man die Kompensations- Verzögerungszeit Δ D durch Subtrahieren von Δ x von D erhalten.
-
Fig. 7 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wie in Fig. 5 bezeichnen. Das Zweierkomplement des Schwellenwertintervalls wird in einem Speicher 301 gespeichert. Ein voreinstellbarer Zähler 302 dient zum Zählen eines Nulldurchgangsintervalls. Ein durch Zählen eines Nulldurchgangsintervalls erhaltener Zählwert wird nacheinander in N Registern 402 bis 405 gespeichert. Dann erhält man die Zählwerte von N Nulldurchgangsintervallen mittels eines Addierers 406 und eines Akkumulators 407. Der Zähler 302 zählt ein Nulldurchgangsintervall bei jedem Nulldurchgang. Der Zählwert wird über einen Selektor 401 in einem Register 402 gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt wird der Inhalt des Registers 402 sowie der Inhalt der übrigen Register jeweils in das nachfolgende Register verschoben. Dann wird der Akkumulator gelöscht. Der Inhalt der Register 402 bis 405 wird um einen Zyklus verschoben, und die Summe der Inhalte wird über den Addierer 406 in dem Akkumulator 407 gespeichert. Die Wirkung dieses Vorganges ist dieselbe, als wenn N Intervalle einzeln gemessen würden. DieRegister 402 bis 405 speichern jeweils die Differenz zwischen dem jeweiligen Nulldurchgangsintervall und dem Schwellenwertintervall. Die Register benötigen aber weniger Bitstellen als der Zähler 302.
-
Register 201 und Register 202 empfangen von der Steuerschaltung 111 Taktsignale. Das Register 201 speichert den Zählwert des Nulldurchgangsintervalls beim derzeit vorliegenden Nulldurchgang. Das Register 202 speichert den Wert für das Nulldurchgangsintervall bei dem vorhergehenden Nulldurchgang. Eine Detektor- oder Erfassungsschaltung 13 für das demodulierte Ausgangssignal erzeugt ein Demodulationssignal, das an den D-Eingang des Ausgangs-Flip- Flops FF 14 gegeben wird. Weicht das demodulierte Signal von dem Signal am vorhergehenden Nulldurchgang ab, so wird das demodulierte Signal nicht sofort in das Flip- Flop FF 14 eingegeben. Erst nach einer durch die Ausgangssignale der Register 201 und 202 bestimmten Zeitverzögerung, die durch die Verzögerungskompensationsschaltung 203 eingestellt wird, wird das demodulierte Signal mit einem Speicherimpuls in das Flip-Flop FF14 eingeben. Die Verzögerungskompensationsschaltung 203 ist eine Schaltung zum Abschätzen eines Signaländerungszeitpunktes und zum Ausgeben eines demodulierten Signals mit einer Verzögerungszeit, die der geschätzten Zeit entspricht, wenn sich das demodulierte Signal ändert. Die Verzögerungszeit wird dadurch erhalten, daß die Werte der Nulldurchgangsintervalle (die Ausgangssignale der Register 201 und 202) vor und nach dem Ändern des demodulierten Signals gezählt werden. Der einfachste Weg besteht darin, als Verzögerungskompensationsschaltung zwecks Bereitstellung der Verzögerungszeit einen Festspeicher (ROM) zu verwenden. Die Register- Ausgangssignale werden an den Festspeicher (ROM) gegeben. Der Festspeicher gibt dann die Verzögerungszeit ab, die sich durch die Ausgangssignale der Register 201 und 202 bestimmt.
-
Das günstigste Schwellenwertintervall erhält man einfach dadurch, daß das demodulierte Ausgangssignal geprüft wird, während der in dem Speicher gespeicherte Wert des Schwellenwertintervalls geringfügig geändert wird.
-
Eine Demodulatorschaltung für ein FSK-Signal einer gewünschten Frequenz erhält man einfach dadurch, daß der Wert des Schwellenwertintervalls in dem Speicher 301 und die Verzögerungszeit in der Schaltung 203 gespeichert werden, um gegebenenfalls den Speicherinhalt zu ändern, während die übrigen Teile der Schaltung unverändert bleiben.
-
Die FSK-Demodulatorschaltung nach Fig. 7 kann als für beliebige Frequenzen wiederverwendbare Schaltung aufgebaut sein, vorausgesetzt, der Speicher 301 zum Speichern des Schwellenwertintervalls und der Speicher zum Speichern der Verzögerungszeit in der Verzögerungskompensationsschaltung 203 bestehen aus einem PROM (PROM = programmierbarer Festwertspeicher). Dies gilt insbesondere dann, wenn die erfindungsgemäße FSK-Demodulatorschaltung auf einem Chip integriert ist. Das heißt, es kann als FSK-Demodulatorschaltung ein IC verwendet werden, wobei die gewünschte Frequenz durch Ändern des Inhalts des PROM berücksichtigt wird.
-
Weiterhin kann eine vielseitige verwendbare FSK-Demodulatorschaltung dann erhalten werden, wenn der Speicher 301 zum Speichern des Schwellenwertintervalls und der Speicher zum Speichern der Verzögerungszeit in der Verzögerungskompensationsschaltung 203 als RAM (Schreib/Lese- Speicher) ausgebildet ist und eine Optimierungsschaltung vorgesehen ist, die festlegt, welcher Inhalt als der am meisten günstigste Wert in dem RAM gespeichert wird. Ein solches System empfängt vor dem Empfang des eigentlichen FSK-Signals ein Testsignal, und daraus wird der in demRAM zu speichernde optimale Wert durch die Optimierungsschaltung ermittelt.