DE3447738C2 - Synchrondemodulator für amplitudenmodulierte Signale - Google Patents
Synchrondemodulator für amplitudenmodulierte SignaleInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchrondemodulator für
amplitudenmodulierte Signale.
Die Synchrondemodulation eines amplitudenmodulierten Signals
ist per se bekannt und allgemein verwendeter Stand der Tech
nik.
Ausführungen dazu sind zum Beispiel in: H. Taub, D. Schilling,
"Principles of communication Systems", McGrawHill, Kapitel 3,
gemacht.
Die allgemeine Theorie sieht vor, daß bei einem gegebenen
amplitudenmodulierten Signal, das durch die Formel:
s(t) = A (1 + m sinωmt) (sinωct),
wobei
ωm = 2πfm
ωc = 2πfc
fm = Modulationsfrequenz
fc = Trägerfrequenz
m = Modulationsindex (0 < m < 1)
A = Trägeramplitude
ωm = 2πfm
ωc = 2πfc
fm = Modulationsfrequenz
fc = Trägerfrequenz
m = Modulationsindex (0 < m < 1)
A = Trägeramplitude
ausgedrückt wird, die Synchrondemodulation durch Überlagern
(d. h. durch Multiplikation) des modulierten Signals mit einem
Signal (z. B. sinusförmig), dessen Frequenz fb gleich der des
Trägers des oben erwähnten modulierten Signals ist, bewirkt
wird.
Das zur Überlagerung verwendete Signal ist gegeben durch:
sb = sin (ωct + ϕb),
wobei ϕb die Phasendifferenz zwischen dem Signal sb und dem
Träger von s(t) ist, und die Amplitude des Signals sb wurde
auf eins normiert.
Das Ausgangssignal des Multiplizierers oder der Überlage
rungsschaltung ist gegeben mit:
sm(t) = sin (ωct + ϕb) · 1 + m sin ωmt) (sin ωct) = -1/2.
A (1 + m sin ωm) [cos (2 ωct + ϕb) - cos ϕb]
A (1 + m sin ωm) [cos (2 ωct + ϕb) - cos ϕb]
Durch Anordnen eines Filters, das die höchsten Frequenzen
von fm abschneidet (z. B. ein Tiefpaßfilter oder ein Bandpaß
filter mit einer Mittenfrequenz entsprechend fm) am Ausgang
des Multiplizierers, wird der Signalanteil mit einer Fre
quenz entsprechend 2fc abgeschnitten und folglich wird ein
demoduliertes Signal, dessen Wechselkomponente dieselbe Fre
quenz wie die des modulierenden Signals hat, ausgegeben.
Die Amplitude des demodulierten Signals hängt jedoch von dem
Wert des cos ϕb ab, das heißt von der Phasendifferenz zwi
schen dem modulierten Signal und dem für die Überlagerung
verwendeten Signal. Für ϕb = 0 (Phasendifferenz gleich Null)
wird die Amplitude des demodulierten Signals maximal; ande
rerseits wird für ϕb = 90° (Träger und zur Überlagerung ver
wendetes Signal phasenverschoben) die Amplitude des demodu
lierten Signals Null. Aus dem Gesagten wird die Forderung
ϕb = 0 abgeleitet, das heißt, das zur Überlagerung verwen
dete Signal stimmt nicht nur in der Frequenz, sondern auch
in der Phase mit dem Träger des modulierten Signals überein.
Es kommt oft vor, daß die Frequenz des Trägers des modulier
ten Signals nicht genau gleich der des Überlagerungssignals
ist, oder eine von beiden ist nicht konstant, wobei anderer
seits aber die Änderungen in einem bestimmten Bereich liegen.
In einem solchen Fall unterscheiden sich die Frequenz fc
des Trägers und die Frequenz fb des zur Überlagerung verwen
deten Signals gegenseitig um den sehr geringen Betrag δfc.
Für das Signal sb(t) gilt dann:
sb = sin [(ωc + δωc) t + ϕb] =
= sin [ωct + (δωct + ϕb)],
wobei δωc = 2Πδfc.
= sin [ωct + (δωct + ϕb)],
wobei δωc = 2Πδfc.
Die Frequenzdifferenz bewirkt jedoch eine zeitlich variable
Phasendifferenz, die im weiteren Verlauf in eine Art von
Modulation des beschriebenen Signals umgeformt wird, für das
nach Filtern mit einem Tiefpaßfilter gilt:
sd,(t) = A/2 (1 + m sin wmt) [cos (ϕb + δωct)]
Mathematisch entspricht dies einer Überlagerung eines Signals
(nicht sinusförmig) mit einer variablen Amplitude und Fre
quenz fm mit einem anderen Signal einer Frequenz δfc.
Mit einem Hochpaßfilter kann die niederfrequente Komponente
(δfc) des Signals sd′(t) ausgefiltert werden, wodurch ein
Ausgangssignal sd′′(t) erhalten wird, für das gilt:
sd′′(t) = A/2 · m sin ωm cos [(ϕb + δωct)]
Auch unter der Annahme, daß die Bedingung ϕb = 0 beim Betrieb
eingehalten wurde, repräsentiert ein solches Signal nicht
das gewünschte Ergebnis, das heißt, ein Signal, das exakt
dem ursprünglichen modulierten Signal entspricht, da zeit
variable Amplitudenspitzen anstatt konstanter Amplituden auf
treten.
Dies bedeutet, daß die Detektion eines solchen Signals, ge
nauer gesagt die Demodulation seines Informationsinhaltes
(zum Beispiel die Frequenz), sehr schwierig und unzuverlässig
erscheint, da die Zeitabschnitte mit Amplitudenspitzen von
minimalem Wert zu einem Detektionsverlust führen können und
folglich zu einem Informationsverlust in der Detektoreinrich
tung. Mit anderen Worten, minimale Spitzen von zu geringem
Wert können daher nicht erfaßt werden und können folglich zu
einem Fehler des Detektors führen, wie zum Beispiel der An
zeige einer Frequenz, die von der entsprechenden der Sende
information abweicht. Dies führt dann zu einer fehlerhaften
Wiedergabe derselben Information.
Aus der DE 27 46 979 ist eine Anordnung zur Synchrondemodu
lation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Die Si
gnale der Überlagerungsschaltungen werden dort vor der Aus
gabe in einer Summierschaltung bzw. einer Subtrahierschaltung
auf summiert bzw. voneinander subtrahiert und abhängig vom
Vorzeichen des Produkts der Ausgangssignale der Überlage
rungsschaltungen, das von einer Multiplizierschaltung ermit
telt wird, über eine Addierschaltung an einen gemeinsamen
Ausgang ausgegeben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Synchrondemodulator für
amplitudenmodulierte Signale zu ermöglichen, der die sichere
Erfassung von Informationen, die in dem modulierten Signal
enthalten sind, auch beim Auftreten geringer Frequenzdiffe
renzen zwischen dem modulierten Trägersignal und dem damit
überlagerten Signal ermöglicht, und der einfach aufgebaut
ist.
Diese Aufgabe wird gelöst von einem Synchrondemodulator nach
Anspruch 1.
Mit anderen Worten, der erfindungsgemäße Synchrondemodulator
beruht auf der Tatsache, daß dieser nicht mit einer, sondern
mit zwei phasenverschobenen Überlagerungen arbeitet, so daß
dieselbe Anzahl gleicher Signale sd′′(t), aber mit um
90° phasenverschobenen Amplituden erzeugt wird, wodurch die
minimale Spitze der ersten Überlagerung zeitlich mit der maxi
malen Spitze der zweiten zusammenfällt, und umgekehrt. Die
von der jeweiligen Steuereinrichtung (versehen mit einem
geeigneten Schwellenwertdetektor) gesteuerten Umschaltungen
des Umschalters ermöglichen es dann zu jeder Zeit, das Si
gnal mit der maximalen Spitze auszuwählen, wodurch am Ausgang
ein demoduliertes Signal mit stets ausreichender Amplitude
zur vollständigen und korrekten Erfassung der in demselben
Signal enthaltenen Information (zum Beispiel der Frequenz)
erhalten wird.
Mit einer geeignet phasenverschobenen zweiten Überlagerung
und der abwechselnden Auswahl des Signals mit größerer Ampli
tude, wird somit die ungenügende Übereinstimmung des Ausgangs
signals einer einzelnen Überlagerungsschaltung mit dem ur
sprünglich modulierenden Signal, aufgrund einer möglichen
schlechten Frequenzübereinstimmung zwischen dem Träger des
modulierten Signals und dem zur Überlagerung verwendeten Si
gnal, kompensiert.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand
der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 das Blockdiagramm einer Aus
führungsform des Synchrondemodulators;
Fig. 2-8 den Verlauf der Signale in dem Demodulator; und
Fig. 9 eine andere Ausführungsform
des Synchrondemodulators.
Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein Synchrondemodulator dargestellt,
der zwei Überlagerungsschaltungen 1 und 2 aufweist, von denen
die erste einen ersten Eingang, der mit dem amplitudenmodu
lierten Signal s(t) und einen zweiten Eingang, der mit einem
Signal sb, das dieselbe Frequenz wie der Träger des modulier
ten Signals hat, gespeist wird, aufweist, während die zweite
einen ersten Eingang, der mit dem modulierten Signal s(t)
gespeist wird und einen zweiten Eingang, der mit dem gleich
frequenten Signal sb über einen Phasenschieber 3, der eine
Verschiebung mit einer Phasendifferenz von 90° ermöglicht,
gespeist wird, aufweist.
Die Ausgangssignale der Überlagerungsschaltungen 1 und 2,
die jeweils Tiefpaßfilter 10 und 11 und Hochpaßfilter 4 und
5 aufweisen, werden auf den Umschalter 6 geleitet, der diese
abwechselnd auf den gemeinsamen Ausgang des Demodulators,
der mit einem geeigneten Informationsdetektor oder einer Er
kennungsschaltung 7, zum Beispiel einem Frequenzdetektor,
verbunden werden kann, schaltet.
Der Umschalter 6 wird durch eine Steuerschaltung 8 entspre
chend der Amplitude der gefilterten Signale, die von den
Übeilagerungsschaltungen 1 und 2 geliefert werden, ange
steuert, wobei die Steuerschaltung zu diesem Zweck einen ge
eigneten Schwellwertdetektor (nicht gezeigt), der innerhalb
oder außerhalb derselben Schaltung angeordnet ist, verwendet.
Der in Fig. 1 gezeigte Synchrondemodulator arbeitet auf die
im folgenden beschriebene Weise. Das modulierte Signal s(t),
das von einem Träger P mit einer Frequenz fc, der von einem
modulierenden Signal M (zum Beispiel sinusförmig) mit einer
Frequenz fm amplitudenmoduliert wird, wird, wie in Fig. 2
gezeigt, in einer Überlagerungsschaltung 1 mit einem Signal
sb mit im wesentlichen der gleichen Frequenz wie der Träger
P und in einer Überlagerungsschaltung 2 mit demselben Signal
sb, das durch einen Phasenschieber 3 um 90° phasenverschoben
ist, überlagert.
Folglich ergeben sich an den Ausgängen der Überlagerungs
schaltungen 1 und 2 nach den Tiefpaßfiltern 10 und 11 Signale
mit phasenverschobenen Amplituden
dd1[(t) = A/2 (1 + m sin ωmt) [cos (ϕb + δωct)]
sd2′(t) = A/2 (1 + m sin ωmt) [cos (ϕb + 90° + δωct)],
sd2′(t) = A/2 (1 + m sin ωmt) [cos (ϕb + 90° + δωct)],
deren Form in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, das heißt,
Signale, bei denen eine Komponente (nicht sinusförmig) mit
einer Frequenz fm einer anderen Komponente mit einer Fre
quenz δfc überlagert ist, wobei δfc der Restfehler zwischen
dem Träger P des modulierten Signals und dem zur Überlagerung
verwendeten Signal sb ist.
Die niederfrequente Komponente (δfc) eines solchen Signals
wird dann durch Hochpaßfilter 4 und 5 eliminiert, an deren
Ausgang jeweils Signale mit phasenverschobenen Amplituden
anstehen
sd1′′(t) = A/2 · m sin ωmt [cos (ϕb + δωct)]
sd2′′(t) = A/2 · m sin ωmt [cos (ϕb + 90° + δωct)],
sd2′′(t) = A/2 · m sin ωmt [cos (ϕb + 90° + δωct)],
deren Verlauf in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, das
heißt Signale, die dieselbe Frequenz fm wie das modulierende
Signal haben, diese aber zwischen minimalen und maximalen
Werten variable Amplitudenspitzen aufweisen.
Es ist offensichtlich, daß jedes der Signale, wenn es ge
trennt verarbeitet wird, zu Problemen in dem Informations
detektor 7 führen würde, der dann die Spitzen minimaler Höhe
nicht erfassen würde und folglich eine veränderte Information
detektiert, die im wesentlichen nicht der des gesendeten
modulierten Signals entspricht. Insbesondere wird, wenn die
zu erfassende Information eine Frequenz ist und der Detektor
7 zum Beispiel ein Digitalzähler, die gewünschte Information
wie in Fig. 7 gezeigt durch Rechteckpulsgruppen, die vonein
ander durch Freiräume getrennt sind, anstatt durch eine ein
zelne Rechteckschwingung mit konstanter Frequenz fm entspre
chend dem gesendeten modulierten Signal, wiedergegeben.
Es ist jedoch der Umschalter 6 vorgesehen, der von der Steuer
schaltung 8 mit dem einen oder anderen der beiden Hochpaß
filter 4 und 5 verbunden wird und folglich mit den Überla
gerungsschaltungen 1 und 2, entsprechend dem Momentanwert
der Amplitudenspitzen der Signale sd1′′(t) und sd2′′(t). Ge
nauer gesagt ist der Umschalter 6 auf eines der Hochpaßfilter
(das Filter 4 in Fig. 1) geschaltet, solange die Amplituden
spitze des relativen Signals sd′′(t) über dem von der Steuer
schaltung 8 vorgegebenen Schwellenwert verbleibt, während
dieser sofort auf das andere Hochpaßfilter (das Filter 5 in
Fig. 1) geschaltet wird, sobald die Amplitudenspitze des oben
erwähnten Signals unter den Schwellenwert fällt. Dasselbe
geschieht in umgekehrter Weise.
Folglich können durch Aufnehmen von Spitzen, die entweder
von dem einen oder dem anderen der beiden phasenverschobenen
Signale sd1′′(t) und sd2′′(t) erfaßt werden, keine Informations
verluste festgestellt werden, und es wird schließlich damit
ein demoduliertes Signal DM erhalten, das exakt dem modulie
renden Signal M entspricht und die gesamte Information reprä
sentiert. Insbesondere ist in dem angeführten Beispiel der
Frequenzinformation das demodulierte Signal so beschaffen,
daß es einem Digitalzähler möglich ist, eine erfaßte Infor
mation in Form einer Rechteckschwingung konstanter Frequenz
fm, wie in Fig. 8 dargestellt, zu reproduzieren.
Die Ausführungsform des in Fig. 9 gezeigten Demodulators ist
funktionell dieselbe. Diese unterscheidet sich von der in
Fig. 1 gezeigten nur durch die Tatsache, daß ein einzelnes
Bandpaßfilter 9 an dem gemeinsamen Ausgang des Demodulators
angeordnet ist, anstatt daß, wie in Fig. 1 gezeigt, zwei Fil
terpaare 10, 11 und 4, 5 an den zwei Ausgängen der Überlage
rungsschaltungen 1 und 2 angeordnet sind. In einem solchen
Fall ist es der Steuerschaltung 8 möglich, das demodulierte
Signal an dem gemeinsamen Ausgang des Demodulators aufzuneh
men anstatt der beiden Signale an den Ausgängen der Filter 4
und 5.
Der in Fig. 9 dargestellte Demodulator hat den Vorteil, daß
ein Filter eingespart wird. Andererseits ist eine gewisse
Verzögerungszeit notwendig, bevor der Demodulator den nor
malen Betriebszustand erreicht hat.
Andere mögliche Lösungen, auch als Kombination der in Fig. 1
und 9 dargestellten Ausführungsformen können gefunden werden,
ohne daß das Gebiet der Erfindung davon geändert wird.
Claims (5)
1. Synchrondemodulator für amplitudenmodulierte Signale mit
einer ersten Überlagerungsschaltung (1), die einen ersten mit
dem zu demodulierenden modulierten Signal (s(t)) gespeisten
Eingang und einen zweiten mit einem Signal (sb) mit im
wesentlichen derselben Frequenz wie der des Trägers des
modulierten Signals (s(t)) gespeisten Eingang aufweist,
einer zweiten Überlagerungsschaltung (2) mit einem ersten
Eingang, der mit dem modulierten Signal (s(t)) gespeist wird,
und einem zweiten Eingang, der mit dem Signal (sb) mit der im
wesentlichen selben Frequenz über einen Phasenschieber (3) mit
einer Phasendifferenz von 90° gespeist wird, und
einer Steuerschaltungseinrichtung (8), die einen Umschalter (6),
der zwischen zwei entsprechenden Ausgängen der ersten und
zweiten Überlagerungsschaltung (1, 2) und einem gemeinsamen
Ausgang des Demodulators angeordnet ist, steuert,
dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (6) durch die
Steuerschaltungseinrichtung (8) zum alternativen Verbinden des
gemeinsamen Ausgangs entweder mit dem einen oder dem anderen
Ausgang entsprechend der Amplitude der Signale an den Ausgängen
der Überlagerungsschaltungen (1, 2) unter Berücksichtigung eines
vorbestimmten Schwellwerts gesteuert wird.
2. Synchrondemodulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
Filter (4, 5, 10, 11), die an den Ausgängen der Überlage
rungsschaltungen (1, 2) zur Unterdrückung der Nieder- bzw.
Hochfrequenzkomponenten der jeweiligen Ausgangssignale ange
ordnet sind.
3. Synchrondemodulator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
mindestens einen Filter (9), der an dem gemeinsamen Ausgang
des Demodulators angeordnet ist, so daß nieder- und hochfre
quente Anteile des jeweiligen Ausgangssignals eliminiert
werden.
4. Synchrondemodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Steuerschaltung (8) so angeordnet ist,
daß sie die Ausgangssignale der Überlagerungsschaltungen (1,
2) erfaßt.
5. Synchrondemodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Steuerschaltung (8) nach dem Umschal
ter (6) zum Erfassen des demodulierten Signals an dem gemein
samen Ausgang des Demodulators angeordnet ist.
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