Fernsehempfänger mit einem FM-Demodulator mit reduziertem Schwellwert
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweistandard-Fernsehempfänger für
entweder nach einem ersten Standard, bei dem ein Farbhilfsträger im
Frequenzmultiplexbetrieb übertragen wird (zum Beispiel PAL, NTSC, SECAM) oder nach einem
zweiten Standard, bei dem Signale im Zeitmultiplexbetrieb übertragen werden (zum
Beispiel MAC) frequenzmodulierte Signale mit einer Demodulatoreinrichtung, die ein
dem eigentlichen Frequenzdemodulator vorgeschaltetes Bandpaßfilter mit abstimmbarer
Mittelfrequenz umfaßt, die von der Eingangssignalfrequenz durch eine Rückkopplung
steuerbar ist, durch die das vom Demodulator ausgegebene demodulierte Signal zum
Abstimmregeleingang des Filters rückgekoppelt wird, was bei dem genannten ersten
Standard über eine erste Schleife mit einem Tiefpaßfilter geschieht, die mit einer
zweiten Schleife parallelgeschaltet ist, die ihrerseits ein praktisch auf die Frequenz des
Farbhilfsträgers abgestimmtes Tiefpaßfilter umfaßt, wobei eine Addiereinrichtung
vorgesehen ist, die von den beiden Schleifen gelieferten Signale addiert und dem
Abstimmregeleingang des abstimmbaren Mittelfrequenzfilters zuführt.
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Die Erfindung findet insbesondere im Satellitenfernsehen für die
Demodulation eines Zwischenfrequenzsigals im Frequenzbereich 400-700 MHz Anwendung, wo
Signale sowohl im PAL- als auch im MAC-Standard vorliegen können.
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20 Es ist erwünscht, das Auftreten von Störungen, d.h. des sogenannten
"Knackens" im frequenzmodulierten Signal auszuschließen. Bekannt ist, daß Störungen
dieser Art sich beim Auftreten von Rauschen ergeben, wenn letzteres stark genug ist,
um einen Phasensprung des Eingangssignals des Demodulators um mehr als 180º zu
bewirken. Das demodulierte Signal wird umso stärker gestört, je schwächer das
Eingangs-Nutzsignal ist. Das Träger/Rausch-Verhältnis am Eingang, gemessen in einem
Referenzrauschband, in dem das Knacken verschwindet, nennt man Schwellwert. Es
gibt einen statischen Schwellwert (der mit einem gleichbleibenden Modulationssignal
gemessen wird: Weißes Bild) und einen dynamischen Schwellwert (der mit einem
veränderlichen Modulationssignal, zum Beispiel einem Farbtestbild, gemessen wird):
Letzterer läßt sich schwerer absenken als der statische Schwellwert. Wenn nachstehend
von Schwellwerten die Rede ist, handelt es sich immer um dynamische Schwellwerte.
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Zur Vermeidung von Knackgeräuschen ist es bekannt, die Bandbreite vor
dem Demodulator mittels eines Filters zu verringern oder einen Demodulator zu
verwenden, dessen Eigenschaften so gewählt werden, daß er Phasensprüngen nicht
folgen kann, oder aber ein von der Signalfrequenz abhängiges Filter einzuschalten.
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Ein Demodulator, der von diesem letztgenannten Verfahren Gebrauch
macht, ist aus dem Dokument WO-A-86/03919 bekannt. Nach diesem Dokument
müssen zwei verschiedene Schaltbilder (Fig. 3 und Fig. 4) zugrundegelegt werden, je
nachdem ob der Empfang nach dem NTSC- oder nach dem MAC-Standard erfolgt.
Außerdem ist für die phasenrichtige Wiedergewinnung der Informationen die
Verwendung eines Zeilenverzögerungsgliedes erforderlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, den dynamischen Schwellwert in allen
Standards, insbesondere beim Empfang nach dem PAL-Standard, mit möglichst
einfachen und wirtschaftlichen Mitteln zu senken, insbesondere für die Anwendung beim
Fernsehfernempfang.
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Hierzu ist der erfindungsgemäße Fernsehempfänger insofern
bemerkenswert, als das Tiefpaßfilter der ersten Schleife das einzige phasenverschobene Glied
dieser Schleife ist und zur Anpassung des Fernsehers an den zweiten Standard die
Einrichtung mit einem Ausschalter ausgestattet wird, mit dem die zweite Schleife außer
Funktion gesetzt werden kann.
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Die mit dieser sehr einfachen Einrichtung erzielbare Absenkung des
Schwellwerts beträgt im 25 MHz-PAL- Betrieb 3 dB, was das beste bisher erzielte
Ergebnis ist. In diesem Standard ist die Verbesserung auch am größten, während im
MAC-Standard die Absenkung des Schwellwerts mit jener vergleichbar ist, die durch
die anderen bekannten Demodulatoren zur Absenkung des Schwellwerts erzielbar ist.
Außerdem wird dies mit einem für die beiden Standards PAL und MAC gemeinsamen
Schaltbild erreicht, wobei nur ein Umschalter für den Übergang von einem Standard auf
den anderen vorgesehen ist.
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Nach einer Ausführungsvariante ist ein mit dem Bandpaßfilter, das
praktisch auf die Frequenz des Farbhilfsträgers abgestimmt ist, in Reihe geschaltetes
Hochpaßfilter vorgesehen.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das praktisch auf
die Farbhilfsträgerfrequenz abgestimmte Bandpaßfilter genauer auf eine Frequenz
abgestimmt, die eine leichte Verschiebung gegenüber der Farbhilfsträgerfrequenz
aufweist, wobei die leichte Verschiebung derart gewählt ist, daß der
Farbhilfsträgerfrequenz eine Phasenvoreilung entsprechend jener vermittelt wird, die durch ein in
Reihe geschaltetes Hochpaßfilter erzeugt würde.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
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Die einzige Figur zeigt ein Blockdiagramm der Demodulatoreinrichtung
eines erfinaungsgemäßen Fernsehers.
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Ein von einem Satelliten ankommendes frequenzmoduliertes Signal wird
zunächst verstärkt, und seine Frequenz wird im Fernsehempfänger umgesetzt;
anschließend wird es dem Eingang 1 der in der Zeichnung dargestellten
Demodulatoreinrichtung dieses Empfängers zugeführt. Dabei durchläuft es zwei in Kaskade
geschaltete Bandpaßfilter 3 und 4 und gelangt zum eigentlichen Demodulator 5, bei dem es sich
vorzugsweise um einen Demodulator bekannten Typs mit
90º-Phasenverschiebungsschaltung und Multiplizierschaltung handelt. Für diesen Demodulator kann man zum
Beispiel eine integrierte Schaltung des Typs SF 1452 (Plessey) verwenden. Allerdings
kann als Demodulator 5 auch ein anderer bekannter Typ gewählt werden. Das vom
Demodulator 5 erzeugte demodulierte Signal liegt am Ausgang an der Klemme 2 an, um
in bekannter Weise im Fernseher verarbeitet zu werden und dort ein Bild zu erzeugen.
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Zum Absenken der Schwelle für das Auftreten von Knackgeräuschen sind
zumindest drei Methoden bekannt:
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- Nach einer ersten Methode kann man die Bandbreite des Filters 3 verringern,
was jedoch den Nachteil mit sich bringt, daß die Gefahr des Signalabbruchs mit der
daraus resultierenden starken Verzerrung entsteht. Der Schwellwert hängt ab von der
Bandbreite dieses Filters und dem Verlauf der
Amplituden/Frequenz-Übertragungsfunktion und auch vom Modulationstyp des Signals. Zum Beispiel ist der Schwellwert
unterschiedlich je nachdem, ob das empfangene Signal eines nach dem PAL- oder nach
dem MAC-Standard ist (dabei handelt es sich hier um den für die Satellitenübertragung
bestimmten PAL-Standard). Im übrigen gibt es drei PAL-Arten (für
Satellitenübertragung) mit unterschiedlichen Bildfrequenzbereichen, nämlich 16, 20 oder 25 MHz.
Bei dieser Methode verwendet man im MAC-Standard ein 14 MHz-Filter und im 25
MHz-PAL-Standard (dieser ist unter den drei PAL-Arten jener, der das schwierigste
Problem stellt) ein 30 MHz-Filter, wobei man schließlich etwa ein dB gegenüber einer
mit einem Filter von Standardbreite ausgestatteten Referenzschaltung gewinnt.
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- Nach einer zweiten Methode, die bei Demodulatoren des Typs PLL eingesetzt
wird, kann man die Parameter der Regelschleife des PLL so einstellten, daß letzterer
sich bei Phasensprüngen des Eingangssignals ausschaltet. Es ergibt sich dann noch ein
Störsignal, das sich in dem vorübergehenden Abbruch der Schaltung im Gefolge des
Phasensprungs manifestiert, wobei dieses Signal jedoch durch Filterung am
Demodulatorausgang abgeschwächt werden kann. Bei dieser Methode gewinnt man schließlich wie
beim zuvor beschriebenen Verfahren im 25 MHz-PAL-Standard etwa 1 dB, im MAC-
Standard 2 bis 3 dB, bei gegenüber dem MAC-Standard etwas verbesserter Bandbreite.
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- Die dritte Methode schließlich macht Gebrauch von einem engen Filter, dessen
Abstimmfrequenz jedoch der Signalfrequenz folgt Diese Methode wurde hier gewählt
und soll durch die Erfindung verbessert werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendet man wie bei der ersten
Methode ein dem Demodulator vorgeschaltetes Filter 3, jedoch mit normaler Bandbreite
und schaltet zusätzlich ein zweites Filter 4 ein, dessen Bandbreite für die wirksame
Begrenzung des Rauschens am Ausgang eng genug gewählt ist. Bei der Anwendung in
einem Zweistandard-Empfänger D2-MAC/PAL (Satellit) wird das Filter 3 auf 479,5
MHz und eine Bandbreite von 37 MHz abgestimmt, während das Filter 4 eine
Bandbreite von 14 MHz aufweist. Das Abbrechen des Nutzsignals wird dadurch verhindert,
daß die Mittelfrequenz des Filters 4 veränderlich ist und der des Nutzsignals folgt. Die
Veränderlichkeit der Mittelfrequenz wird zum Beispiel dadurch erzielt, daß man in
bekannter Weise als Abstimmkapazitäten des Filters 4 Dioden variabler Kapazität,
sogenannte "Varicaps" verwendet, deren Kapazitätswert durch die am
Abstimmfrequenz-Steuereingang 13 anliegende Spannung bestimmt wird.
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Dieser Abstimmfrequenz-Steuereingang 13 wird durch ein
Rückkopplungssignal angesteuert, das von dem an der Klemme 2 anliegenden demodulierten Signal
abgeleitet wird.
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Eine Rückkopplungsschleife umfaßt einen Verstärker 6 zur Anpassung der
Stärke des Rückkopplungssignals derart, daß die Veränderungen der
Filterabstimmfrequenz jenen der Frequenz des Eingangssignals möglichst exakt folgen. Eine perfekte
Nachführung ist jedoch unmöglich; deshalb ist in die Schleife ein Tiefpaßfilter 7
eingeschaltet, das dazu dient, einen Ausgleich zwischen dem von der Schleife
rückgeführten Signalanteil und Rauschanteil herzustellen. Für eine optimale Funktion sind
möglichst geringe Störungen in der Phase wichtig, d.h. daß außer dem Filter 7 alle
anderen Elemente keinesfalls in diese Schleife Eingang finden dürfen.
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Je mehr die Frequenz des Modulationssignals steigt, desto größer wird
auch der Regelfehler für eine gegebene Gesamtverzögerungszeit der Schleife. So ist die
Bandbreite umso geringer, je größer die Gesamtverzögerung ist. Nun ist aber die
spektrale Leistungsdichte des modulierten Signals beim MAC-Standard und beim PAL-
Standard unterschiedlich. Das Filter 4 läßt sich nicht für beide Fälle optimieren. Man
kann nun daran denken, zur Anpassung an den jeweiligen Standard eine Umschaltung
im Bereich des Filters 4 vorzusehen: Dies ist schwierig, denn die Unterschiede
zwischen den Eigenschaften der Filter für die jeweiligen Standards sind groß. Man auch
daran denken, zwei Schleifen vorzusehen und je nach Standard die eine oder die andere
auszuwählen. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß tatsächlich die beste Lösung
darin besteht, zwei Schleifen gemeinsam zu verwenden, d.h. für den PAL-Standard die
für den MAC-Standard optimierte Schleife beizubehalten und eine zweite Schleife
hinzuzufügen.
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Daher ist die Einrichtung mit einer zweiten Schleife ausgestattet, die nach
der Klemme 2 in Kaskadenschaltung ein Hochpaßfilter 11, einen Verstärker 10 zur
Anpassung des Rückkopplungspegels und ein Tiefpaßfilter 9 umfaßt. Dabei ist darauf
hinzuweisen, daß die Reihenfolge dieser einzelnen Elemente innerhalb der Schleife ohne
Bedeutung ist.
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Das am Ausgang 14 der Schleife 6, 7 anliegende Signal wird einer
Additionsschaltung 8 zugeführt, in der es dem von der anderen Schleife 9, 10, 11
gelieferten Signal hinzuaddiert wird; die von der Additionsschaltung 8 gelieferte
Signalsumme wird dann dem Eingang 13 der Abstimmfrequenzsteuerung für die
dynamische Veränderung der Abstimmungsfrequenz des Filters 4 zugeführt.
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Die Schleife 6, 7 spielt eine Hauptrolle, wenn die
Bildübertragungsfrequenz gering ist, d.h. im MAC- oder im PAL-Schwarz/Weiß-Standard, und die
Schleife 9,10, 11 bringt erstere in beliebiger Weise in die Nähe des
PAL-Farbhilfsträgers. Die Mittelfrequenz des Bandpaßfilters 9 entspricht der dieses Hilfsträgers (4,43
MHz). Sie spielt eine gleiche Rolle wie der Bandpaßfilter 7: Es muß ein Ausgleich
zwischen dem von der Schleife rückgekoppelten Signalanteil und Rauschanteil
hergestellt werden. Das Hochpaßfilter 11 korrigiert die Phase im Bereich dieses Hilfsträgers.
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Zur weiteren Vereinfachung der Einrichtung ist es in der Praxis möglich,
das Hochpaßfilter 11 wegzulassen (die zweite Schleife umfaßt in diesem Fall nur die
Glieder 9 und 10), da man festgestellt hat, daß es für die durch dieses Hochpaßfilter
bewirkte Phasenkorrektur ausreicht, die Abstimmung des Bandpaßfilters leicht
gegenüber der Frequenz des PAL-Farbhilfsträgers zu verschieben, so daß dieser
letztgenannten Frequenz eine Phasenvoreilung vermittelt wird, die auf die Phase dieselbe Wirkung
hat wie das in Reihe geschaltete Hochpaßfilter.
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Am Ausgang der Schleife 9, 10 (und eventuell 11) ist ein Ausschalter 12
vorgesehen, der das Ausschalten der Schleife ermöglicht.
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Dadurch, daß die mit dem Bandpaßfilter 7 ausgestattete Schleife ständig in
Betrieb gehalten wird, ergibt sich der Vorteil der Übertragung der
Gleichspannungskomponente, was sich als notwendig erweist.
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Bei einem Zweistandard-PAL/MAC-Empfänger ist der Schalter 12 im
PAL-Betrieb geschlossen, d.h. die Schleife 9, 10, 11 ist in Funktion, während er im
MAC-Betrieb geöffnet ist.
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Bei geöffnetem Schalter 12 kann das Ausgangssignal der zweiten
Rückkopplungsschleife 9, 10,11 wie in der Figur dargestellt an Masse gelegt werden.
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Um der Einrichtung optimale Eigenschaften zu geben, sollten die
Elemente vorteilhafterweise die folgenden Merkmale aufweisen:
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* Bandpaßfilter 3:
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- Äquivalenz-Tiefpaß mit mehr als 3 Polen (als Äquivalenz-Tiefpaß bezeichnet
man ein Filter, dessen Ansprechkurve dadurch erhalten wird, daß man jene des
Bandpaßfilters so lange verschiebt, bis seine Mittelfrequenz gleich Null ist).
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- Zentriert auf die verwendete Zwischenfrequenz (zum Beispiel 479,5 MHz).
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- Bandbreite bei 3 dB: zwischen 27 und 37.
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* Abstimmbares Filter 4:
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- Äquivalenz-Tiefpaß mit nur einem Pol.
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- Zentriert (ohne Modulation des Trägers) auf die verwendete Zwischenfrequenz
(zum Beispiel 479,5 MHz)
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- Bandbreite bei 3 dB: 11 bis 14 MHz - geringste Verzerrung bei 14 MHz.
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* Hochpaßfilter 11:
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- Wenn man die durch die Glieder 4, 5,10, 9 in die Schleife eingeführte
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Verzögerung als "T" bezeichnet, muß das Filter 11 in der Nähe des Farbhilfsträgers
eine Phasenverschiebung um 2 x pi x T x FSP bewirken, wobei "FSP" die
Hilfsträgerfrequenz ist (pi = 3,14159).
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* Bandpaßfilter 9:
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- Äquivalenz-Tiefpaß mit nur einem Pol.
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- Zentriert auf die Farbhilfsträgerfrequenz.
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- Bandbereich bei 3 dB: 2,5 MHz +/- 0,5 MHz.