DE3613994A1 - Schaltungsanordnung zum demodulieren frequenzmodulierter signale - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Demodulieren frequenzmodulierter Signale mit zwei Signalverarbeitungskanälen mit wenigstens je einem Eingang, an welchem das zu demodulierenden frequenzmodulierte Signal anliegt, und von welchen Signalverarbeitungskanälen jeder eine Serienschaltung einer Multiplizierschaltung und einer Tiefpaßschaltung aufweist, sowie zwei Differenzierschaltungen, von welchen je eine an jeweils einen Ausgang eines Signalverarbeitungskanales angeschlossen ist, und zwei weitere Multiplizierschaltungen, bei welchen jeweils ein Eingang an den Ausgang eines Signalverarbeitungskanales und ein jeweils weiterer Eingang an den Ausgang der mit dem anderen Signalverarbeitungskanal verbundenen Differenzierschaltung angeschlossen ist und deren Ausgänge mit den Eingängen einer Signalverknüpfungsschaltung verbunden sind.

Eine solche Schaltungsanordnung wurde z. B. durch die GB-PS 15 30 602 bekannt. Bei dieser bekannten Schaltung sind Differenzierschaltungen mit fester Zeitkonstante vorgesehen, wobei die mit diesen verbundenen Multiplizierschaltungen ausgangsseitig mit einer Subtrahierschaltung verbunden sind, die durch einen Differenzverstärker gebildet ist.

Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung liegen an dem einen Eingang die beiden Multiplizierschaltungen der Signalverarbeitungskanäle das Eingangssignal und an deren anderen Eingängen ein Trägerfrequenzsignal an. Am Ausgang dieser bekannten Schaltung wird ein Signal erhalten, dessen Spannung proportional der Frequenzabweichung ist. Allerdings ist dabei ein streng symmetrischer Aufbau der Signalverarbeitungskanäle und der an diese angeschlossenen Differenzier- und Multiplizier- Schaltungen erforderlich, um gleiche Amplituden der Ausgangssignale der beiden Signalverarbeitungskanäle zu gewährleisten. Dies erfordert aber einen entsprechend hohen Aufwand beim Aufbau einer solchen Schaltung. Bei dieser bekannten Schaltungsanordung, die für Sprachübertragung vorgesehen ist, sind die Verstärker der Signalverarbeitungskanäle unabhängig voneinander steuerbar. Tritt am Kanaleingang ein Signal mit der Kanalmittenfrequenz und ungünstiger Phasenlage auf, dann ist Sinus von null gleich null, Cosinus von null gleich 1, d. h. die Verstärker verstärken mit stark unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren, wobei bei dem einem die Verstärkung auf eins und beim anderen auf ein Maximum gestellt wird. Die bekannte Schaltungsanordnung hat also extrem unterschiedliche Verstärkungsfaktoren für den Fall, daß Signalanteile in der Nähe von der Kanalmittenfrequenz vorliegen, wodurch am Ausgang der Schaltung dynamische Probleme auftreten. Diese spielen bei einer Sprachübertragung keine so besondere Rolle, da bei dieser eine Frequenzbegrenzung nach unten vorgesehen ist, wobei das Auftreten von Signalanteilen bei der Kanalmittenfrequenz verhindert wird.

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltunganordnung der eingangs erwähnten Art vorzugschlagen, die sich auch für die Übertragung von Daten eignet und bei der auch bei Vorliegen von Signalanteilen in der Nähe von der Kanalmittenfrequenz am Eingang keine Verzerrungen oder sonstige dynamische Probleme auftreten.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Steuereingänge der Verstärker (5, 6) mit einer gemeinsamen Steuerschaltung, vorzugsweise einem Amplitudenregler (14) verbunden sind. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, daß die Verstärker gemeinsam geregelt werden, wodurch auch die Summe der Quadrate der Ausgangssignale der Verstärker geregelt wird, sodaß auch dann, wenn bei dem einen Verstärker das Eingangssignal gegen Null geht, die Verstärkung nicht höher gestellt wird als notwendig. Um trotz eines einfachen Aufbaues der Schaltungsanordnung eine kontinuierliche Abstimmung der Schaltungsanordnung auf Übertragungsparameter des gesendeten Signals durch extern zugeführte harmonische Signale zu ermöglichen, kann weiters vorgesehen sein, daß jede Differenzierschaltung mit einstellbarer Zeitkonstante ausgebildet ist, wobei die Einstellung der Zeitkonstante, vorzugsweise über an einen Steuereingang der Differenzierschaltungen anliegende Steuersignale erfolgt, wobei die Signalverknüpfungsschaltung durch eine Summierschaltung gebildet ist.

Die Möglichkeit der Abstimmung des Empfängers auf eine beliebige Trägerfrequenz wird durch die Multiplikation des empfangenen Signales mit extern zugeführten Signalen erreicht. Es treten dabei Signalanteile mit der Summen- und der Differenzfrequenz aus Eingangssignalen und extern zugeführten Multiplikationssignalen auf. Da nur der Differenzfrequenzanteil mit relativ niedrigen Differenzfrequenzen demoduliert wird, ist auf diese Weise einfach durch Änderung der Frequenz des extern zugeführten Multiplikationssignales die kontinuierliche Abstimmung realisierbar.

Dabei wird zur Gewinnung des Modulationssignals jeder niederfrequentere Signalanteil für sich differenziert und dann jeweils der eine Signalanteil mit dem differenzierten anderen Signalanteil multipliziert und die beiden Multiplikationsergebnisse unter Bildung des Modulationssignales addiert. Durch die einstellbare Zeitkonstante kann eine optimale Anpassung zum Zwecke einer konstanten Amplitude des Summensignals erreicht werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daß jede Tiefpaßfilterschaltung mit einstellbarer Grenzfrequenz ausgebildet ist, wobei die Einstellung der Grenzfrequenz vorzugsweise über an einen Steuereingang der Tiefpaßfilterschaltung anliegende Steuersignale erfolgt. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Bandbreite der Tiefpaßfilterschaltungen einstellen zu können, wodurch eine entsprechende Anpassung an verschiedene Übertragungsgeschwindigkeiten möglich wird.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Demodulation frequenzmodulierter Signale kann dadurch gekennzeichnet sein, daß für die Demodulation digitaler Signale an den Ausgang der Summierschaltung ein Eingang einer Komparatorschaltung angeschlossen ist, bei welcher an einem zweiten Eingang eine Referenzspannung anliegt und an deren Ausgang ein dem digitalen Modulationssignal entsprechendes Digitalsignal abgreifbar ist. Hierdurch ist es im Gegensatz zu herkömmlichen Demodulationsschaltungen möglich, digital modulierte Signale zu demodulieren, ohne daß der Frequenzhub des Frequenzumtastsignals (FSK Signal) bei der Demodulationsschaltung berücksichtigt werden muß, oder einen Einfluß auf das Ausgangssignal ausübt.

Im folgenden ist die Erfindung unter Bezugnahme auf Zeichnung beispielsweise beschrieben, welche das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Empfängerschaltung zum Empfang freqzuenzmodulierter Signale zeigt.

Gemäß dem in der Zeichnung dargestellten Blockschaltbild weist die erfindungsgemäße Empfängerschaltung zunächst zwei, zueinander parallel angeordnete Signalkanäle (100) bzw. (200) auf. Jeder dieser Signalkanäle (100) und (200) umfaßt in Hintereinanderschaltung eine erste Multiplizierschaltung (1) bzw. (2), eine Tiefpaßfilterschaltung (3) bzw. (4) und einen Regelverstärker (5) bzw. (6). Das Empfangssignal (U _EE ) liegt an den einen Eingängen der beiden ersten Mulitplizierschaltungen (1) bzw. (2) an, an deren zweiten Eingängen jeweils Signale (S ₁) bzw. (S ₂) anliegen; diese Eingänge können z. B. dann entfallen, wenn die an ihnen anliegenden harmonischen Schwingungen (S ₁) und (S ₂) in den ersten Multiplizierschaltungen (1, 2) selbst erzeugt werden. Am Ausgang der ersten Multiplizierschaltung (1) ist das Signal (U _B1) am Ausgang der ersten Multiplizierschaltung (2) das Signal (U _B2) abgreifbar. Das Signal (U _B1) liegt über die Tiefpaßfilterschaltung (3) am Signaleingang des Regelverstärkers (5), das Signal (U _B2) über die Tiefpaßfilterschaltung (4) am Signaleingang des Regelverstärkers (6) an. An den Verstärkerausgängen, also den Ausgängen der Signalkanäle sind die Signale (U _B1″) bzw. (U _B2″) abgreifbar, welche einerseits an den einen Eingängen zweier zweiter Multiplizierschaltungen (9) bzw. (10) direkt anliegen (U _B1″, U _B2″) und andererseits über zwei Differenzier- Schaltungen (7) bzw. (8) der jeweils anderen zweiten Multiplizierschaltung (9) bzw. (10) zugeführt werden (U _B1, U _B2).

An den Regeleingängen der regelbaren Verstärker (5, 6) liegt das Ausgangssignal (U _R ) einer Amplitudenregelschaltung (14) an, deren Eingängen die Ausgangssignale (U _B1″, U _B2″) der beiden Verstärkerschaltungen (5, 6) zugeführt werden.

In den beiden zweiten Multiplizierschaltungen (9, 10) werden die dort jeweils anliegenden Signale (U _B1″ und U _D2 bzw. U _B2″ und U _D1) miteinander multipliziert. Die an den Ausgängen dieser Multiplizierschaltungen abgreifbaren Signale (U _S1, U _S2) werden in einer Summierschaltung (11) zu einem Summensignal (U _S ) addiert und liegen an einem Eingang einer Komparatorschaltung (12) an, an derem zweiten Eingang das Ausgangssignal (U _Ref. ) einer Referenzspannungsquelle (13) anliegt. Am Ausgang der Komparatorschaltung (12) ist das digitale Ausgangssignal (U _AE ) der Empfängerschaltung abgreifbar.

Zur Beschreibung der Funktion der erfindungsgemäßen Empfängerschaltung werden im folgenden die mathematischen Zusammenhänge der verschiedenen im Empfänger erzeugten Signale angegeben.

Am Eingang des Empfängers liegt das Signal (U _EE ) an, für das die Zeitfunktion entsprechend der Gleichung (I) wie folgt angegeben werden kann:

dabei stellt A die Amplitude, U _E (t) das Modulationssignal dar, ω _k ist die Trägerfrequenz, ω _H eine Modulationskonstante.

Für den speziellen Fall der Wechselstromtelegraphie mit einem FSK-Signal kann das Eingangssignal entsprechend Gleichung (Ia) dargestellt werden:

U _EE = A · sin (ω _k t ± ω _H t) (Ia)

wobei ω _H den Kreisfrequenzhub des Frequenzumtastsignales angibt.

In den ersten Multiplizierschaltungen (1) bzw. (2) wird das Eingangssignal (U _EE ) mit jeweils einer harmonischen Schwingung der Frequenz ω _k multipliziert, wobei die eine Schwingung gegenüber der anderen um 90° phasenverschoben ist. Diese Schwingungen können entweder extern erzeugt und über die beiden Steuereingänge (S ₁) bzw. (S ₂) z. B. von einem programmierbaren Frequenzgenerator (15) zugeführt werden oder sie werden in den Multiplizierschaltungen (1) bzw. (2) selbst erzeugt.

Am Ausgang der Multiplizierschaltungen (1) bzw. (2) sind die Signale (U _B1) bzw. (U _B2) abgreifbar, welche den Gleichungen (II) bzw. (III) gehorchen.
mit I folgt

Aus den Gleichungen (II) bzw. (III) ist erkennbar, daß durch die Multiplikation das Eingangssignal jeweils in zwei Terme aufgespalten wird von denen einer wesentlich höherfrequenter ist als der andere und daher in den Tiefpaßfilterschaltungen (3) bzw. (4) unterdrückt werden kann. Zur Anpassung dieser beiden Tiefpaßfilterschaltungen (3) bzw. (4) an verschiedene Übertragungsgeschwindigkeiten, können diese mit einstellbarer Grenzfrequenz, also einstellbarer Bandbreite ausgebildet sein. Diese Einstellung kann über an Steuereingänge (S ₃) bzw. (S ₄) derselben angelegte Steuersignale erfolgen; beispielsweise können diese Tiefpaßfilterschaltungen als Kondensator-Schalterfilter ausgebildet sein.

An dem Ausgang der Tiefpaßfilterschaltungen (3) bzw. (4) sind die Signale (U _B1′) bzw. (U _B2′) abgreifbar, für welche gilt:

In den Regelverstärkern (5) bzw. (6) werden Amplitudenschwankungen des Eingangssignales (U _EE′ ) die durch Schwankungen der Übertragungscharakteristik des Übertragungskanals hervorgerufen werden, ausgeglichen. An den Ausgängen der Regelverstärker (5) bzw. (6) treten die Signale (U _B1″) bzw. (U _B2″) auf, für welche gilt:

Dabei bezeichnet ν die Spannungsverstärkung der beiden Regelverstärker.

An einem Regeleingang jedes Regelverstärkers (5) bzw. (6) liegt das Ausgangssignal (U _R ) einer Amplitudenregelschaltung (14) an, an deren Eingängen jeweils die Ausgangssignale (U _B1″ bzw. U _B2″) der Regelverstärker anliegen. In der Amplitudenregelschaltung (14) werden jeweils die Beträge der Quadrate der Amplituden dieser beiden Signale gebildet, summiert und mit einer Referenzamplitude verglichen. Die Regelabweichung wird als Stellsignal (R) den Regelverstärkern zugeführt, wodurch der Amplitudenregelkreis geschlossen ist. Über einen zusätzlichen Ausgang (S _Q ) kann gegebenenfalls ein Fehlersignal abgegeben werden, wenn die Amplitudenschwankungen des Empfangssignals zu groß werden, so daß eine ordnungsgemäße Demodulation des Eingangssignales nicht mehr möglich ist.

Die Ausgangssignale (U _B1″ bzw. U _B2″) liegen an jeweils einem Eingang zweier zweiter Multiplizierschaltungen (9) bzw. (10) an. Weiters werden diese Signale jeweils an die Eingänge zweier Differenzierschaltungen (7) bzw. (8) geführt, von welchen eine, z. B. (7) investierend ist. An den Ausgängen der Differenzierschaltungen (7, 8) sind die Signale (U _D1) bzw. (U _D2) abgreifbar, welche den Gleichungen (VIII) bzw. (IX) gehorchen.

Diese Signale werden jeweils den zweiten Eingängen der zweiten Multiplizierschaltungen (9 bzw. 10) in der Weise zugeführt, daß der zweite Eingang der Multiplizierschaltung (9) mit dem Ausgang der Differenzierschaltung (8) und der zweite Eingang der Multiplizierschaltung (10) mit dem Ausgang der Differenzierschaltung (7) verbunden ist.

An den Ausgängen der Multiplizierschaltung (9, 10) treten die Signale (U _S1 bzw. U _S2) auf, für die Gleichungen (X bzw. XI) gelten.

Unter der Voraussetzung, daß die Amplituden dieser cos²- bzw. sin²-Schwingungen genau gleich sind, können nach einem Summensatz für trigonometrische Funktionen die Zeitfunktionen in diesen beiden Signalen eliminiert werden. Dies geschieht in einem Summierer (11) an dessen Eingängen die Signale (U _S1 bzw. U _S2) anliegen, wobei das Summensignal (U _S ) für welches die Gleichung (XII) die mathematische Beschreibung darstellt an seinem Ausgang abgreifbar ist.

Wie aus der Gleichung (XII) ersehen werden kann, hängt dieses Summensignal - da die Amplitude (A) des Eingangssignals über die Amplitudenregelschleife konstant gehalten wird - nur von der im Sender vorgegebenen Hubkreisfrequenz ω _H und dem ursprünglichen Modulationssignal U _E (t) der Senderschaltung ab. Für eine vorgegebene Hubkreisfrequenz wird daher die Amplitude des Summensignals U _S konstant sein, was eine der Hubkreisfrequenz ω _H angepaßte Zeitkonstante der Differenzierschaltungen (7) und (8) voraussetzt.

Um eine optimale Anpassung zum Zwecke einer konstanten Amplitude des Summensignals zu gewährleisten, können die Differenzierschaltungen jeweils in ihrer Zeitkonstante umschaltbar ausgebildet sein; diese Umschaltung kann durch an die Eingänge (S 5) und (S 6) angelegte Steuersignale erfolgen.

Das Summensignal U _S ist somit - bis auf einen konstanten Faktor, - proportional dem Modulationssignal U _E der Senderschaltung und stellt für analoge Modulationssignale U _E (t) das Ausgangssignal der Empfängerschaltung dar.

Für den Fall eines digitalen, binären Modulationssignals U _E (t) = ±1 bei dem das Eingangssignal (U _EE ) durch die Gleichung (Ia) dargestellt werden kann, tritt als Summensignal (US) ein Gleichspannungssignal auf, dessen Größe der Hubkreisfrequenz ω _H proportional ist und dessen Vorzeichen des zu übertragenden Logikzustand angibt.

Dieses Signal wird bevorzugt an den einen Eingang einer Komparatorschaltung 12 angelegt, dessen anderer Eingang mit dem Referenzspannungsausgang (U _Ref ) einer Referenzspannungsquelle (13) verbunden ist. Das Ausgangssignal (U _AE ) der Komparatorschaltung ist ein digitales Signal, dessen Logikzustand dem Logikzustand des Modulationssignals entspricht und das das digitale Ausgangssignal der Empfängerschaltung darstellt.

Nicht zuletzt ist darauf hinzuweisen, daß eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung darin besteht, daß sie in Mikroprozessortechnik ausgeführt ist. Bei dieser Ausführungsform entfallen die Regelverstärker 5 und 6. Die durch sie gewährleistete Dynamik ist dann syteminherent, gegebenenfalls sind entsprechende Analog-Digitalwandler vorgesehen.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zum Demodulieren frequenzmodulierter Signale mit zwei Signalverarbeitungskanälen mit wenigstens je einem Eingang, an welchem das zu demodulierende frequenzmodulierte Signal anliegt, und von welchen Signalverarbeitungskanälen jeder eine Serienschaltung einer Multiplizierschaltung und einer Tiefpaßschaltung sowie einen steuerbaren Verstärker aufweist, sowie zwei Differenzierschaltungen, von welchen je eine an jeweils einen Ausgang eines Signalverarbeitungskanales angeschlossen ist, und zwei weitere Multiplizierschaltungen, bei welchen jeweils ein Eingang an den Ausgang eines Signalverarbeitungskanales und ein jeweils weiterer Eingang an den Ausgang der mit dem anderen Signalverarbeitungskanal verbundenen Differenzierschaltung angeschlossen ist und deren Ausgänge mit den Eingängen einer Signalverknüpfungsschaltung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereingänge der Verstärker (5, 6) mit einer gemeinsamen Steuerschaltung, vorzugsweise einem Amplitudenregler (14) verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Differenzierschaltung (7, 8) mit einstellbarer Zeitkonstante ausgebildet ist, wobei die Einstellung der Zeitkonstante, vorzugsweise über an einen Steuereingang (S ₅, S ₆) der Differenzierschaltungen (7, 8) anliegende Steuersignale erfolgt, wobei die Signalverknüpfungsschaltung durch eine Summierschaltung (11) gebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Tiefpaßfilterschaltung (3, 4) mit einstellbarer Grenzfrequenz ausgebildet ist, wobei die Einstellung der Grenzfrequenz vorzugsweise über an einen Steuereingang (S ₃ bzw. S ₄) der Tiefpaßfilterschaltung (3, 4) anliegende Steuersignale erfolgt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Demodulation digitaler Signale an den Ausgang der Summierschaltung (11) ein Eingang einer Komparatorschaltung (12) angeschlossen ist, bei welcher an einem zweiten Eingang eine Referenzspannung (U _Ref. ) anliegt und an deren Ausgang ein dem digitalen Modulationssignal entsprechendes Digitalsignal (U _AE ) abgreifbar ist.