DE3531548A1 - Mikroprozessorkompatibler digitaler funkzeitzeichenempfaenger - Google Patents

Mikroprozessorkompatibler digitaler funkzeitzeichenempfaenger

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DE3531548A1 DE19853531548 DE3531548A DE3531548A1 DE 3531548 A1 DE3531548 A1 DE 3531548A1 DE 19853531548 DE19853531548 DE 19853531548 DE 3531548 A DE3531548 A DE 3531548A DE 3531548 A1 DE3531548 A1 DE 3531548A1
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    • G04R20/00—Setting the time according to the time information carried or implied by the radio signal
    • G04R20/08—Setting the time according to the time information carried or implied by the radio signal the radio signal being broadcast from a long-wave call sign, e.g. DCF77, JJY40, JJY60, MSF60 or WWVB
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    • G04R20/10—Tuning or receiving; Circuits therefor

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikroprozessorkompatiblen digitalen Funkzeitzeichenempfänger nach Anspruch 1.
Aufgabe der Erfindung ist es einen einfachen sehr empfindlichen, störsicheren und mit einem weiten Dynamikbereich versehenen mikroprozessorkompatiblen, digitalen Funkzeitzeichenempfänger zu schaffen. Er ist ausgelegt für hochfrequent ausgesendete Funkzeitzeichen mit Amplitudenmodulation, z. B. des Senders DCF 77.
Bekannt sind Funkzeitzeichenempfänger, die nach dem Audionprinzip, z. B. DP 32 36 162 und nach dem Prinzip des Geradeausempfängers, z. B. DP 29 10 535, DP 24 13 712 und nach dem Überlagerungsprinzip, z. B. DP 26 43 250, arbeiten.
Weiterhin sind Empfänger für Funkzeitzeichen mit Mikroprozessor bekannt, z. B. DOS 30 43 867, DOS 31 01 406 oder DOS 31 28 895.
Die genannten Anmeldungen beruhen auf bisher bekannten Empfängerprinzipien. Nachteilig jedoch ist z. B. beim Audionprinzip eine sehr schwer beherrschbare definierte Rückkopplung und die damit verbundene Neigung zu Eigenschwingungen. Beim Geradeausempfänger besteht ebenso eine Schwingneigung. Beim Überlagerungsprinzip ist dagegen ein aufwendiger Aufbau (Oszillator, Mischer, Filterstufen) notwendig. Bei allen genannten Prinzipien von Funkzeitzeichenempfänger ist eine Demodulationseinrichtung (z. B. Diode) mit nachfolgendem Tiefpaß notwendig. Es werden ausschließlich schmalbandige Empfängerschaltungen mit einem nichtlinearen Demodulationsverhalten verwendet, die grundsätzlich für eine Signaldetektion mit Hilfe von Korrelationsverfahren geeignet sind. Teilweise werden in den oben erwähnten Anmeldungen Mikroprozessoren verwendet, die im wesentlichen zur Dekodierung des Funkzeitzeichens dienen. Eine Detektion des Funkzeitzeichens aus dem unter Umständen gestört empfangenen Signal wird bei einigen Anmeldungen ausgeführt. Die dabei verwendeten Korrelationsverfahren erfordern jedoch unwirtschaftlich große Speicher- und Rechenkapazitäten. Eine Vollintegration ist nicht möglich.
Dagegen ist bei der oben genannten Erfindung der Empfangsschwingkreis erfindungsgemäß breitbandig ausgeführt. Es werden keine weiteren Filterkreise benötigt und zusätzliche genaue und stabile Oszillatoren für Mischzwecke werden ebenfalls nicht gebraucht. Die Eigenfrequenz des erfindungsgemäß beschalteten Differenzverstärkers (3) ist prinzipbedingt hinreichend kurzzeitstabil, so daß keine Stabilisierungsschaltungen notwendig sind.
Die Spannungsverstärkung des hochfrequenten Eingangssignals kann gering gehalten werden, weil der nachfolgende Differenzverstärker (3) mit der erfindungsgemäßen Ausführung der Beschaltung eine sehr hohe Empfindlichkeit aufweist. Die Verstärkung kann im Vergleich zu vorhandenen Empfängerprinzipien um den Faktor 1000 kleiner sein, was einen sehr kleinen Verstärkeraufwand und eine sehr geringe Schwingneigung durch parasitäre Mitkopplungen bedingt.
Weiterhin ist kein Demodulator notwendig, da die Signaldetektion und Signaldekodierung rein digital im Mikroprozessor erfolgt.
Durch das breitbandige und lineare Übertragungsverhalten der Empfängerschaltung sind die Voraussetzungen für die Anwendung von Korrelationsverfahren geschaffen, wobei auch stark gestörte Funkzeitzeichen dekodiert werden können.
Die verwendeten Korrelationsverfahren erfordern nur geringen Soft- und Hardwareaufwand für den Mikroprozessor und den zugehörigen Speicher, so daß eine wirtschaftliche monolithische Integration möglich ist.
Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (3) kann ohne Analog-Digital-Wandler bzw. ohne Interfaceschaltungen direkt in einem Mikroprozessor (9) verarbeitet werden. Zur Verarbeitung des niederfrequent gewandelten unter Umständen gestörten Funkzeitzeichens werden lediglich die Frequenzänderungen des Ausgangssignals des beschalteten Differenzverstärkers (3) ausgewertet, die durch die Amplitudenänderungen des hochfrequenten Funkzeitzeichens hervorgerufen werden.
Insgesamt ergibt sich erfindungsgemäß ein mikroprozessorkompatibler, digitaler Funkzeitzeichenempfänger mit sehr einfacher Struktur, sehr großer Dynamik und hoher Empfindlichkeit, der bis auf die Antenne sehr leicht monolithisch zu integrieren ist und hohe Störsicherheit aufweist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der oben genannten Erfindung wird mit Hilfe der Fig. 1 erläutert:
Der abstimmbare Empfangsschwingkreis (1) empfängt die hochfrequent ausgesendeten Funkzeitzeichen mit Amplitudenmodulation, die dem Verstärker (2) zugeführt werden. Dieser verstärkt das Eingangssignal um den Faktor 10-100, sodaß am Ausgang ein Signal im mV-Bereich ansteht, das außerdem niedere Impedanz aufweist. Der nachfolgende Differenzverstärker (3) ist als selbstschwingende Kippstufe beschaltet. Das RC-Glied, gebildet aus dem Widerstand (7) und dem Kondensator (8), bestimmt zusammen mit dem Verhältnis der Widerstände (5) und (6) die Eigenfrequenz der mit dem Differenzverstärker (3) gebildeten Kippstufe. Die Schaltschwelle der Kippstufe wird durch das aus dem Verstärker (2) über den Widerstand (4) geleitete Hochfrequenzsignal gesteuert. Der Widerstand (4) dient als Einkopplungsglied.
Die daraus resultierende Änderung der Schwingfrequenz der Kippstufe ist streng linear abhängig von der Amplitudenänderung des hochfrequenten Signals.
Die Dimensionierung der Beschaltung des Differenzverstärkers (3) erfogt dermaßen, daß der Spannungshub am Kondensator (8) sehr klein gehalten wird und im mV-Bereich liegt. Dies wird durch die Dimensionierung der Widerstände (5) und (6) erreicht, wobei der Widerstand (5) wesentlich größer als der Widerstand (6) sein muß. Die Dimensionierung des RC-Gliedes, gebildet aus dem Widerstand (7) und dem Kondensator (8), erfolgt aus: wobei ω 0 die Trägerfrequenz des Hochfrequenzsignals ist, um im streng linearen Arbeitsbereich der Kippstufe zu arbeiten. Im Ausführungsbeispiel für DCF 77
(ω 0 = 77,5 kHz) ist τ = 1 ms.
Der Differenzverstärker wird vorteilhaft mit Hilfe eines monolithisch integrierten Komparators ausgeführt. Der Ausgang des Differenzverstärkers (3) mit der vorliegenden Beschaltung liefert das gewandelte hochfrequente Signal in Form einer Rechteckspannung die je nach Amplitude der hochfrequenten amplitudenmodulierten Eingangsfrequenz ihre Schwingfrequenz ändert.
Der Eingang des Mikroprozessors (9) wird direkt mit dem Ausgang des Differenzverstärkers (3) verbunden. Der Mikroprozessor rechnet über eine Zeitzählerschaltung die vorliegenden Periodendaueränderungen der zugeführten Rechteckspannungen aus.
Über die Widerstände 10 1-10 n besteht die Möglichkeit über digitale Ausgangsleitungen des Mikroprozessors (9) die Schaltschwelle der Kippstufe zu beeinflussen. Dadurch kann der Arbeitsbereich der Kippstufe entsprechend der HF-Signalamplitude in einem weiten Bereich geändert werden, was z. B. zu der Auswertung unterschiedlicher Amplituden dieses HF-Signals dient.
Die Signalaufbereitung im Mikroprozessor (9) des niederfrequent gewandelten Ausgangssignals des Differenzverstärkers (3) wird mit Hilfe statistischer Methoden insbesondere der Kreuzkorrelationsmethode durchgeführt.
Eine Ausführungsmöglichkeit besteht in der binären, digitalen Kreuzkorrelation zwischen den binär digitalisierten niederfrequenten Ausgangssignale des Differenzverstärkers (3) und einem im Speicher des Mikroprozessors abgelegten idealisierten Muster aus dem Zeichenvorrat des niederfrequenten Funkzeitzeichens mit Hilfe einer im Mikroprozessor realisierten EXNOR oder EXOR Verknüpfung.
Eine weitere sehr günstige Möglichkeit der Kreuzkorrelation besteht bei der Verwendung von amplitudenkontinuierlich, digitalisierten niederfrequenten Ausgangssignale des Differenzverstärkers (3) und einem im Speicher des Mikroprozessors (9) digital abgelegten idealisierten Muster aus dem Zeichenvorrat des niederfrequenten Funkzeitzeichens.
Die oben erwähnten, im Speicher des Mikroprozessor (9) digital abgelegten, idealisierten Muster sind niederfrequente Funkzeitzeichen aus dem Zeichenvorrat des Funkzeitzeichencodes.
Beim Funkzeitzeichen DCF 77 beispielsweise ergeben sich drei mögliche Grundmuster gemäß Fig. 2:
a) ein Zeichen für logische Null
b) ein Zeichen für logische Eins
c) ein Zeichen für die Minutensynchronisation.
Als Ergebnis der Kreuzkorrelation erhält man signifikant unterscheidbare verschiedene Korrelationsfunktionen gemäß Fig. 3.
Bei Kenntnis des Sekundenbeginns (DCF 77) kann eine Kurzzeitkreuzkorrelation durchgeführt werden. Sie hat den Vorteil eines wesentlich geringeren Rechenaufwands. Dabei können verschiedene kürzere Zeitabschnitte verwendet werden und zwar von Sekundenbeginn bis 200 ms nach Sekundenbeginn, oder von 100 ms bis 200 ms nach dem Sekundenbeginn.

Claims (7)

1. Mikroprozessorkompatibler digitaler Funkzeitzeichenempfänger für hochfrequent ausgesendete Funkzeitzeichen mit Amplitudenmodulation bestehend aus einem abstimmbaren breitbandigen Empfangsschwingkreis (1) mit Verstärker (2) und einem Differenzverstärker (3) dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Empfangsschwingkreises (1) mit dem Eingang des Verstärkers (2) verbunden ist und der Ausgang des Verstärkers (2) mit dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (3) über einen Widerstand (4) verbunden ist und dieser nicht invertierende Eingang des Differenzverstärkers (3) einerseits über den Widerstand (5) mit Masse verbunden ist und andererseits über den Widerstand (6) mit dem Ausgang des Differenzverstärkers (3) verbunden ist und der Ausgang des Differenzverstärkers (3) über den Widerstand (7) mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (3) verbunden ist und der invertierende Eingang des Differenzverstärkers (3) über einen Kondensator (8) mit Masse verbunden ist.
2. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (5) oder der Widerstand (6) veränderbar ist oder beide Widerstände veränderbar sind.
3. Nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Differenzverstärkers (3) mit einem digitalen Eingang eines Mikroprozessors (9) verbunden ist und ein oder mehrere Ausgänge des Mikroprozessors (9) über ein oder mehrere Widerstände 10 1 bis 10 n mit dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (3) verbunden sind.
4. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verstärkers (2) über den Widerstand (4) mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (3) verbunden ist.
5. Nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (3) ein monolithisch integrierter Operationsverstärker ist.
6. Nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang des Mikroprozessors (9) über eine Schalteinrichtung verschiedene Empfangsschwingkreise (1) jeweils mit dem Eingang des Verstärkers (2) verbindet.
7. Nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitung im Mikroprozessor (9) mit Hilfe statistischer Methoden insbesondere der Kreuzkorrelationsmethode erfolgt.
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