DE3835617A1 - Verfahren zur erzeugung einer frequenzmodulation - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Erzeugung einer Frequenzmodulation.

Die bekannten Verfahren zur Erzeugung einer Frequenzmodula­ tion sind ziemlich aufwendig. Das Spektrum der FM-Schwingung enthält oberhalb und unterhalb des Trägers eine große Anzahl von Seitenschwingungen, so daß ein sehr breites Band bei der Übertragung erforderlich ist. Die benötigte Bandbreite ist größer als der doppelte Frequenzhub.

Aufgabe der Erfindung ist es eine einfache Erzeugerschaltung für die Frequenzmodulation zu schaffen, wobei aber gleichzei­ tig die Bandbreite gegenüber den bekannten Schaltungen wesent­ lich kleiner ist. Dies wird durch die im Patentanspruch 1 ge­ gebene Lehre erreicht.

Bei der vorliegenden Erfindung können überwiegend digitale Schaltmittel verwendet werden, so daß eine preiswerte Her­ stellung möglich ist. Da bei der vorliegenden Erfindung nur in der Halb- bzw. Periodendauer die Information enthalten ist, können alle Oberwellen unterdrückt werden, ohne daß dabei Übertragungsfehler entstehen.

Nachstehend wird nun die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Zuerst werden bekannte Schaltungen behan­ delt, die u. a. bei der Erzeugung erforderlich sind (Europä­ ische Patentanmeldung 02 84 019). 2 Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend beschrieben. Zuerst werden die Prinzipien der beiden Ausführungen zusammengefaßt. Die In­ formation wird einmal pulsamplitudenmoduliert und in der Folge mit Hilfe des Äquidestanzverfahrens in pulsdauern um­ gewandelt, oder aber die Information wird unmittelbar mit Hilfe des Sägezahnverfahrens in Pulsdauern codiert. Diese Pulsdauern werden dann in Verbindung mit den Pausen zwischen den Pulsdauern zu Rechteckimpulsen und in der Folge mit Hil­ fe von Filtern zu sinusförmigen Codierwechselströmen umge­ wandelt. Die Umformung der Pulsdauern und Pausen erfolgt mit Hilfe von Zählgliedern in Verbindung mit elektronischen Schaltern. Die Pulsdauer entspricht dann der Dauer einer Halbperiode bzw. Periode des Codierwechselstromes. Ist die Pulsdauer klein, ist die Frequenz der Halbwelle bzw. Periode beim Codierwechselstromes hoch, ist die Pulsdauer groß, so ist die Frequenz der Halbwelle bzw. Periode beim Codier­ wechselstrom klein. Auf der Empfangsseite erfolgt die Aus­ wertung beispielsweise durch Abmessung der Halb- bzw. Perio­ dendauern. Hier liegt also gleichzeitig eine Frequenz- und Phasenmodulation vor.

Bei der 2. Ausführungsform werden der Pulsdauerimpuls, in Fig. 9 PD 1, PD 2 und die Pause zwischen den Pulsdauern (Fig. 9, P) - die Pulsdauer und die Pause entspricht z. B. jeweils dem Abstand zwischen 2 Abgriffen, in Fig. 6 mit tp bezeichnet, - einem elektronischen Relais zugeführt, in dem dann bipolare Rechteckimpulse erzeugt werden. Mit Hilfe von Filtern wird dann der frequenzmodulierte Codierwechselstrom erzeugt.

In der Fig. 2 ist dargestellt wie mit Hilfe eines Zählgliedes Z in Verbindung mit der Frequenz der Fortschalte- bzw. Meß­ impulse, die im Oszillator Osc erzeugt werden, die Zeit ei­ nes Pulses bestimmt wird. Der jeweilige Ausgang des Zählglie­ des markiert dann die Zeit. Dieser wird dann in Verbindung mit Gattern für die Steuerung eines elektronischen Relais ER vorgesehen. Dieses erzeugt dann bipolare Rechteckimpulse.

Die Funktion ist im Einzelnen folgende. Im Oszillator Osc werden die Fortschalte- bzw. Meßimpulse für das Zählglied Z erzeugt. Diese gelangen über das Gitter G 1 auf das Zähl­ glied Z, solange das Beginnzeichen an B vorhanden ist. Im Beispiel werden nur die Ausgänge Z 1 und Z 2 des Zählgliedes benötigt. Diese Ausgänge liegen an den Gattern G 2 und G 3. Soll die Halbperiode des Rechtimpulses J die Größe der Summe der Meßimpulse bis Z 1 haben, wird vom Codierer Cod aus an g 3 h-Potential gelegt, so daß beim Erreichen des Ausganges Z 1 am Ausgang von G 3 ein Potentialwechsel stattfindet, der das elektronische Relais ER veranlaßt den Rechteckimpuls zu beenden. War dies ein positiver Impuls, so wird der nächste Impuls negativ. Das Zählglied wird dann in dieser Stellung wieder zurückgeschaltet. Am Ausgang z 2 ist hierfür das Gatter G 4 vorgesehen. Vom Codierer aus kann auch über fA die Oszil­ latorfrequenz vergrößert oder verkleinert werden, so daß man z. B. mit den jeweiligen Ausgängen verschiedene Zeiten markie­ ren könnte. Vom Codierer Cod geht auch eine Verbindung A zu ER, mit der man verschiedene Impulsgrößen J steuern kann.

Die Rechteckimpulse werden über einen Tiefpaß TP, den Über­ trager Ü und Filter Fi als sinusförmiger Codierwechselstrom auf die Leitung gegeben. Die Halb- bzw. Periode des Codier­ wechselstromes ist dieselbe wie die des Rechteckimpulses. Das Prinzip der Umwandlung der Rechteckimpulse in einen sinus­ förmigen Wechselstrom ist in der Fig. 1 dargestellt. Werden z. B. Rechteckimpulse mit der Frequenz 1 MHz mit einem Tief­ paß 5,5 MHz bandbegrenzt, so erhält man, wie in der Fig. 1c dargestellt ist, noch ziemlich steile Flanken. In der Fig. 1b wurde ein Tiefpaß von 3,5 MHz eingesetzt, man sieht, daß hier die Flankensteilheit schon merklich nachgelassen hat. In der Fig. 1a ist ein Tiefpaß von 1,5 MHz eingeschaltet, beim Empfänger hat man hier einen sinusähnlichen Wechsel­ strom. Die Periodendauern sind dabei die gleichen wie die der Rechteckimpulse, d. h. man kann die Periodendauern als Maß für die Frequenzen bzw. Phasen hernehmen. In der Fig. 2 wurde dieses Prinzip bei der Umwandlung der Rechteckimpulse J in einen Codierwechselstrom mit Hilfe des Tiefpasses TP angewen­ det.

In der Fig. 3 sind Rechteckimpulse verschiedener Periodendauern aufgezeichnet, und zwar durch die Frequenzen ausgedrückt f, f 1 und f 2. Diese Rechteckimpulse haben gegeneinander verschiedene Phasenverschiebungen bzw. verschiedene Frequenzen. Man sieht hieraus, daß man durch Änderung der Periodendauern Phasensprün­ ge bzw. Frequenzsprünge hervorrufen kann, so daß man hierdurch auch eine Frequenzmodulation erhält. In der Fig. 4 erfolgt solch ein Phasen- bzw. Frequenzsprung stufenweise. Damit wird er­ reicht, daß die Bandbreite klein wird. Wie aus der Fig. 5 her­ vorgeht, erhält man bei Phasensprüngen von 5 Grad je 180 Grad bei 4 Phasensprungstufen eine Gesamtphasenverschiebung von 40 Grad.

In der Fig. 6 sind PAM-codierte Pulse von einem Signal Inf dar­ gestellt. Diese werden mit Hilfe eines Äquidistanzverfahren in Pulsdauerimpulse, wie in der Fig. 7 gezeigt ist, umgewandelt. Der Abstand der PAM-Impulse (Fig. 6, tp) zueinander entspricht jeweils einer Pulsdauer PD und einer Pause P, wie in der Fig. 7 dargestellt. Eine Pulsdauermodulation kann auch mit Hil­ fe des Sägezahnverfahrens durchgeführt werden. In den Fig. 8 und 9 ist dieses Verfahren dargestellt. Die Puls­ dauern sind Rechteckpulse PD 1, PD 2, . . . Weiterhin sind be­ kannt die symmetrische PDM und die bipolare PDM. (Siehe auch Buch "Modulationsverfahren" von Stadler 1983.)

In der Fig. 10 ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Er­ findung dargestellt. Im Pulsdauermodulator PDM werden die Pulse z. B. nach Fig. 7 oder 9 erzeugt, und über G 5 an das Gatter G 1 geführt. Am anderen Eingang des Gatters G 1 liegen die Meß­ impulse Jm, z. B. 100 KHz Frequenz. Solange an G 1 ein PD-Puls liegt, werden die Meßimpulse Jm am Ausgang wirksam. Über das Potentialumkehrgatter G 2 gelangen die Meßimpulse an das Zählglied Z, das mit diesen Impulsen gesteuert wird. Die Zahl der Ausgänge am Zählglied entspricht z. B. dem Abstand zwischen 2 PAM-Pulsen, in der Fig. 6, tp. Die Abgriffsfrequenz sei 10 KHz, dann hätte das Zählglied 100 000 Ausgänge. Der Frequenzhub wird durch den größten und kleinsten Amplitudenwert der In­ formation Inf bestimmt, in Fig. 6 mit gw und kw bezeichnet. Die Ausgänge A des Zählgliedes Z führen zu Gattern G 3 und die Ausgänge der Gatter zu Gattern G 4. Jeweils am anderen Eingang des Gatters G 4 liegt der jeweilige PD-Impuls, der das Gatter G 4 sperrt. Erst wenn der PD-Impuls nicht mehr da ist, kann auch das Ausgangspotential über G 3 an G 4 wirksam werden. ER erhält nun über G 4 ein Potentialwechselkennzeichen für den nächsten Rechteckimpuls. Der Beginn des Rechteckimpulses wird durch den jeweiligen PD-Puls markiert. Der nächste Rechteck­ impuls wird durch die Pause P (Fig. 7, P) bestimmt. Von ER wird über P ein Potential an Gatter 5 gelegt, damit am Gatter G 1 die Meßimpulse Jm wieder durchlässig werden. Das Zählglied Z wird nun bis zum Ausgang Gatter G 6 geschaltet. Wenn der näch­ ste PD-Puls wieder kommt wird G 6 wirksam und über R wird das Zählglied wieder in die Ausgangsstellung geschaltet. Am Aus­ gang von ER sind dann Rechteckimpulse RJ der Größe der Halb­ perioden wie die der PD-Pulse und der Pausen P. Im Filter Fi werden die Rechteckimpulse zu sinusförmigen Halbwellen fmo, damit ist die Information frequenzmoduliert. Die Halb­ perioden der Nutzsignalmodulationsfrequenzen bewegen sich dann zwischen den Halbperiodendauern am Zählglied mit 1/kw und 1/gw gekennzeichnet. In Fig. 11 ist z. B. 1/kw = 15 KHz, die Mittenfrequenz 10 KHz und in Fig. 12 1/gw = 7,5 KHz. Im Beispiel können sich die Pulsdauern um die Hälfte ändern. Dies ist eine Dimensionierungsachse der Pulsdauermodulations­ schaltungen. Die Halbwellen der Pausen haben in der Fig. 11 eine kleinste Frequenz von 7,5 KHz und in Fig. 12 eine größte Frequenz von 15 KHz. Die Amplituden der Halbwel­ len bleiben immer gleich. Die Auswertung auf der Empfangs­ seite erfolgt durch Abmessung der Halbperiodendauern. Eine Synchronisierung ist nicht erforderlich, da die Nulldurch­ gänge einer Periode bei einer Codierung mit Hilfe einer PAM zugleich die Abgriffe codieren, es müssen also lediglich die positiven Halbwellen in PAM-Pulse umgewandelt werden. Die PAM-Pulse sind dann auf der Empfangsseite um eine perio­ de nacheilend.

Die Redundanz der Pausen in der Fig. 10 kann vermieden werden, wenn man z. B. die PAM-Pulse speichert und nach jeder PD-Co­ dierung den nächsten PAM-Puls abruft. Beim Empfänger ist al­ lerdings dann eine Synchronisierung erforderlich. Bei Verwen­ dung der PAM auf der Sendeseite müßte die Abgriffsfrequenz von Zeit zu Zeit synchronisiert werden. In Fig. 13 ist die Prinzipschaltung einer solchen Schaltung auf der Sendeseite dargestellt. Die PAM-Pulse werden im Speicher Sp gespeichert. Von ER kommt über AR der Abruf des nächsten Pulses. Dieser wird dann im Pulsdauermodulator PDM in einen PD-Puls umgewan­ delt. Dieser geht zum Steuerglied St, an das auch die Meß­ impulse Jm geführt sind. Das Zählglied Z wird nun entsprechend der Fig. 10 geschaltet. Am Ende des PD-Pulses wird über G 1, G 2 ein Impulsendekriterium zu ER gegeben, der Anfang des Rechteckimpulses wurde über PD direkt an ER gegeben. Nach jedem Rechteckimpuls veranlaßt ER über R die Rückschaltung des Zählgliedes und über AR die Anschaltung des nächsten PAM-Pulses an PDM. Nach jedem Rechteckimpuls wird in ER eine Umpolung vorgenommen. Die frequenzmodulierten PD- Pulse in Form von Halbwellen, die in einer ununterbrochenen Folge gesendet werden, sind in der Fig. 14 dargestellt.

In der Fig. 15 steuern die PD-Pulse und die Pausen der Fig. 7 und 9 unmittelbar das elektronische Relais ER. Nach jedem Rechteckimpuls erfolgt eine Umpolung. Mit der ununter­ brochenen Folge von PD-Pulsen, die durch eine Speicherung erreicht worden ist, wie in der Fig. 13 dargestellt ist, kann in der Fig. 15 ebenfalls das ER-Relais gesteuert werden. Nur ist nach jedem Impuls eine Umpolung erforderlich. In Fig. 15 werden über PD dann nur die Anfänge der PD-Pulse markiert, wenn eine fortlaufende Übertragung von PD-Pulsen erfolgen soll. Bei einer Übertragung Puls/Pause ist eine Markierung von Anfang und Ende eines Pulses sowieso gegeben.

Will man bei der Übertragung eine Gleichstromfreiheit, so muß je eine gleiche Codierung des jeweiligen Pulses durch eine positive und negative Halbwelle erfolgen. Dies kann z. B. durch Speicherung in einem Schieberegister erfolgen, wobei dann bei der Auswertung eine verdrahtete Halbierung der je­ weils überlaufenden Ausgänge oder eine Halbierung mittels Rechner erfolgt. Eine Teilung in 2 Halbpulse kann man auch durch die symmetrische PDM bewerkstelligen.

Wird eine bipolare PDM vorgesehen, bei der die Pulse und Pausen ggf. eine Gleichstromvorspannung aufweisen, so kann man diese unmittelbar an das Filter zur Erzeugung ei­ nes sinusförmigen Wechselstromes schalten. Die Information ist gleichzeitig frequenz- und phasenmoduliert. Die Halb­ periodendauer gibt die Frequenz an und bei einer Phasenco­ dierung die Phasenänderung gegenüber der Normalhalbperioden­ dauer.

Claims (3)

1. Verfahren zur Erzeugung einer Frequenzmodulation, da­ durch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die ei­ ne Information bzw. Signal (Fig. 6, Inf) in Pulsdauern um­ wandeln (Fig. 7, 9), daß weiterhin Schaltmittel für die Ab­ messung der Pulsdauern, insbesondere Zählschaltmittel (Fig. 10, Z) vorgesehen sind, die zugleich eine Markierung der Pulsdauern vornehmen (z. B. Fig. 10, Z, A), die Markierstrom­ kreise sind dabei so in Verbindung mit Pulsdauerimpulse über Gatter mit einem elektronischen Schaltmittel (Fig. 10, ER) verbunden, daß der Anfang und das Ende des jeweiligen Pulsdauerimpulses ein periodisches Signal, insbesondere Rechteckimpuls, codieren, weiterhin sind solche Siebmittel vorge­ sehen, daß an die Leitung nur sinusähnliche bzw. sinusför­ mige Wechselströme oder/und Oberwellen davon gelangen.

2. Verfahren zur Erzeugung einer Frequenzmodulation, da­ durch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen werden, die eine Information bzw. ein Signal in Pulsdauern (Fig. 9) umwandeln und daß weiterhin Schaltmittel vorgesehen werden die die Dauerpulse in einer ununterbrochenen Folge (Pd, Pd, Pd, Pd, . . .) oder die die Pulsdauerimpulse und die dazuge­ hörigen Pausen (Fig. 9, PD 1, P, PD 2, . . .) in insbesondere Rechteckimpulse umwandeln (Fig. 15, ER, PD, P, PD, . . .) und daß in der Folge solche Siebmittel vorgesehen werden, die diese in sinusförmige Halbwellen bzw. Perioden zu ei­ nem Codierwechselstrom umwandeln.

3. Verfahren zur Erzeugung einer Frequenzmodulation, da­ durch gekennzeichnet, daß hierfür eine bipolare PDM vor­ gesehen wird, deren Pulse und Pausen an ein solches Fil­ ter ggf. mit Gleichstromvorspannung gelegt wird, daß am Filterausgang ein sinusförmiger Wechselstrom entsteht, dessen Halbperiodendauern die Größe der Periodendauern der Pulse und Pausen aufweist.