DE69634471T2

DE69634471T2 - Frequenzdemodulator

Info

Publication number: DE69634471T2
Application number: DE69634471T
Authority: DE
Inventors: Claude Claverie; Xavier Guitton
Original assignee: Thomson Broadband Systems; Thomson Broadcast Systems
Current assignee: Thomson Broadband Systems; Thomson Broadcast Systems
Priority date: 1995-12-29
Filing date: 1996-12-26
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2016-12-27
Also published as: EP0778669A1; DE69634471D1; FR2743227B1; JP4026879B2; JPH09326641A; FR2743227A1; EP0778669B1; US5903187A

Description

Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, liegt auf dem Gebiet von Frequenzdemodulatoren.
Es ist bekannt, dass zur Demodulation einer frequenzmodulierten Schwingung es ausreicht, von dieser Schwingung Impulse mit derselben speziellen Dauer, unabhängig von der Frequenz der Schwingungen und eine Frequenz des Auftretens proportional dieser Frequenz zu erzeugen und dann diese Impulse zu integrieren, um einem zu der zu demodulierenden Frequenz proportionalen Wert zu erzeugen. Das Dokument US-A-4 350 957 zeigt eine Vorrichtung, die dieses Verfahren ausführen kann.
Mehrere Geräte ermöglichen, diese Funktion auszuführen. eines von ihnen, das in 1 dargestellt ist, benutzt eine Begrenzerschaltung 1 in Reihe mit einem monostabilen Latch 2 und einem Tiefpassfilter 3. Die Begrenzerschaltung 1 begrenzt das frequenzdemodulierte Signal. Sie liefert somit Signale, die durch zwei Amplitudenwerte O-E, aus denen das monostabile Latch 2 Impulse mit der Dauer τ = C^te der variablen Wiederholfrequenz liefert, aus dem das Tiefpassfilter 3 den Mittelwert extrahiert. Aufgrund der Eigenschaften der verfügbaren monostabilen Schaltungen ist diese Lösung auf eine maximale richtige Arbeitsfrequenz ≥ 10 MHz beschränkt, die sich, die unzureichend ist, um die VIDEO-Signale zu übertragen.
1 zeigt zusätzlich drei Blöcke 1, 2 und 3, die den Begrenzer 1 darstellen, das monostabile Latch 2 und das Tiefpassfilter 3 und die Kurvenformen an dem Eingang und dem Ausgang jeder dieser Schaltungen. Der augenblickliche Mittelwert einer elektrischen Größe A₀, z.B. eine Spannung oder ein Strom an dem Ausgang des Tiefpassfilters ist gleich: A0 = E τ f oder A0 = I. τ – f.
In diesen Ausdrücken sind E und I die vorbestimmten Werte der elektrischen Größen, und f ist der Augenblickswert der Frequenz der frequenzmodulierten Schwingung, die demoduliert werden soll.
Es sollte an dieser Stelle erwähnt werden, dass der augenblickliche Mittelwert eines Signals der Quotient des Integrals der Amplitude des Signals über die Zeit und der Signalintegrationszeit ist. Für ein periodisches Signal wird dieser Wert ausgedrückt durch den Ausdruck:
in dem T die Augenblicksperiode des Signals und f(t) die Amplitude des Signals in Abhängigkeit von der Zeit ist, gemessen zwischen den Zeitpunkten 0 und T.
Eine zweite bekannte Einheit benutzt einen Begrenzer mit zwei Ausgängen. Eine Verzögerungsleitung, die eine Verzögerung τ erzeugt, liegt zwischen einem der Ausgänge und der Begrenzerstufe. Eine EXOR-Schaltung (Exklusiv Oder) (oder eine Mischerstufe) empfängt auf einem ihrer Eingänge den Ausgang des Begrenzers und auf dem anderen den verzögerten Ausgang. Diese Schaltung speist dann ein Tiefpassfilter. Der Betrieb der kombinatorischen Logik EXOR-Schaltung und liefert Impulse mit der Dauer τ = C^te sowie durch die Erscheinung der Verdoppelung der Wiederholungsfrequenz der Impulse und erleichtert die Berechnung des Mittelwerts durch das Tiefpassfilter. In dem Masse, wie die Verzögerungsleitung eine hohe Leistung aufweist – eine Verzögerungsleitung besteht aus Koaxialkabeln oder Mikrostreiferleitungen – ist es möglich, durch strenge Vorkehrungen in der Verarbeitung der Impulse Frequenzdemodulatoren mit hoher Leistungsfähigkeit zu bilden, jedoch ist eine derartige Lösung wenig geeignet für eine monolithische Integration, insbesondere für niedrige Frequenzen.
Für hohe Frequenzen in der Größenordnung von 100 MHz ist durch den Artikel "High-performance integrated receiver circuit for optical fiber transmission of wideband FM video signals" von L.P. de JONG und CMCJ HOOGHIEMSTRA, veröffentlich in der IEE Transaction on Consumer Electronics, Band CE-33 Nummer 3, August 1987, eine Lösung bekannt, in der die Verzögerungsleitung in integrierbarer Form in einer ASIC ausgebildet ist.
Der Aufbau einer derartigen Verzögerungsleitung wird beschrieben im Absatz 3.3 dieses Artikels zusammen mit 4 dieses Artikels. Grundsätzlich sind mehrere Schaltungen, wie sie in 4 dieses Artikels dargestellt sind, in Reihe geschaltet.
Jede Schaltung bildet eine Verzögerung τ₀ Ausgang, derart, dass die Gesamtverzögerung τ gleich nτ₀ ist, wobei n die Anzahl der Schaltungen darstellt.
Ein derartiger Aufbau in sofern interessant, dass er in monolithischer Weise ausgebildet sein kann, es wurde jedoch unverzüglich festgestellt, dass die Verzögerung τ durch die Zahl der in Reihe geschalteten Schaltungselemente vorbestimmt ist und bei Bedarf nicht veränderbar ist. Gemäß der Erfindung kann andererseits der Wert von τ in der Praxis so eingestellt werden, dass man
Tmin ist die Periode der höchsten, durch die Modulation gebildeten Frequenz. Diese Eigenschaft macht die Erfindung besonders vorteilhaft für Breitbandsignale, die insbesondere niedrige Frequenzen beinhalten. Es wurde oben ersichtlich, dass der Wert von A₀ gegeben ist durch die Gleichung A₀ = E τ f, in der τ die Verzögerung, E die Amplitude der z.B. durch die monostabile Schaltung erzeugten Impulse und f die Augenblicksfrequenz ist. Der Wert von A₀ liegt daher zwischen zwei Werten A₁ = E τ fmin und A₂ = E τ fmax. Der Dynamikbereich von A₀ ist daher gleich A₂ – A₁ = E τ (fmax – fmin). Bei tiefen Trägerfrequenz nimmt die Differenz zwischen fmax und fmin, die eine zunehmende Funktion der Trägerfrequenz ist, ab. Im Gegensatz dazu kann der Wert von τ, der gemäß der Erfindung
kann bis zu dem Punkt zunehmen, bei dem er die Abnahme von ΔA₀ = A₂ – A₁ aufgrund des Abfalls in dem Wert der Trägerfrequenz kompensiert.
Die vorliegende Erfindung dient, wie der in dem obengenannten Artikel beschriebene Aufbau, als eine integrierbare Schaltung zur Frequenzdemodulation in einer speziellen integrierten Schaltung zu schaffen. Die Schaltung gemäß der Erfindung arbeitet gemäß dem Demodulationsprinzip, indem eine Verzögerungsleitung und eine EXOR-Schaltung benutzt werden. Jedoch wird gemäß der Erfindung ein mathematisches Äquivalent der Verzögerung τ erzeugt, jedoch ohne dass eine Verzögerungsleitung benutzt wird.
Die Erfindung stammt aus der Beobachtung, dass in dem Ausdruck für den Koeffizienten A₀ = E τ f der Koeffizient τ die Dimension einer Zeit hat. In folgedessen kann jedes Signal, das erzeugt werden kann und dessen Mittelwert proportional zu der Frequenz ist, zur Demodulation eines frequenzmodulierten Signals dienen. Gemäß der Erfindung wird ein derartiges anfängliches Demodulationssignal durch Integration über die Zeit der steigenden Flanken der Impulse am Ausgang des Begrenzers gewonnen. Diese Integration erfolgt gemäß der Gleichung
In diesen Ausdrücken bezeichnet t die Zeit am Ausgang der Flanke, z.B. den Anstieg der Impulse. Somit wird gemäß der Erfindung eine Schaltung benutzt, die aus den Vorderflanken Impulse am Ausgang des Begrenzers erzeugt. Diese Vorderflanken haben die Amplitude E, eine unsymmetrische Integration des Signals am Ausgang des Begrenzers. Somit betrifft die Erfindung eine Schaltung eines Demodulators für ein frequenzmoduliertes Signal, wobei die Augenblicks-frequenz des Signals sich zwischen einer minimalen Frequenz fmin und einer maximalen Frequenz fmax ändert, die Schaltung wenigstens einen Eingang zum Empfang eines Eingangssignals aus einer Kette von Impulsen empfängt, wobei jeder Impuls eine Anstiegsflanke und eine abfallende Flanke aufweist, die Höhe eines Impulses des Eingangssignals gleich der Differenz zwischen dem Wert vor einer ansteigenden oder abfallenden Flanke und ihr Wert nach der ansteigenden oder abfallenden Flanke ist, die ein Ausgangssignal der Schaltung erzeugt, des-sen Augenblicksfrequenz über die Zeit einen Wert proportional zu der Augenblicks-frequenz oder der das Eingangssignal bildenden Impulse darstellt, und die Schaltung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Integration über die Zeit der Höhe wenigstens einer der Flanken dieses Impulses des Eingangssignals der Schaltung ist.
In einer der Ausführungsformen die im Folgenden anhand der 4 beschrieben wird, wird wenigstens eine Schaltung benutzt, in der die Integration über die Impulsflanke durch eine lineare Ladung einer Kapazität erfolgt. Die Ladezeit τ der Kapazität ist dann ein Proportionalitätskoeffizient zwischen dem Augenblickswert des Signals am Ausgang des Tiefpassfilters und der Augenblicksfrequenz des modulierten Si gnals. In dieser Ausführungsform wird zusätzlich zu der Schaltung gemäß der Erfindung vorzugsweise eine Impulsgeneratorschaltung benutzt, die das integrierte Signal am Ausgang der Schaltung gemäß dieser Ausführungsform empfängt und das Signal umsetzt in eine Folge von Rechteckimpulsen, alle mit der selben Breite, und deren Frequenz gleich oder einem Vielfachen der Frequenz des modulierten Signals ist.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie Schaltungen verwenden kann, die im Stand der Technik bekannt sind. Sie ermöglicht außerdem einen Abgleich der Impulse derart, dass sie z.B. eine Amplitudenabweichung aufgrund von Temperaturänderungen umgeht.
In der bevorzugten Ausführungsform, die im Folgenden anhand der 6 beschrieben wird, dienen zwei Schaltungen gemäß der Erfindung in einer solchen Weise, als sie einen Vorteil aus dem Verdopplungseffekt der Impulsfrequenz hat.
Die allgemeinste Ausführungsform, verschiedene Ausführungsformen davon und eine bevorzugte Ausführungsform werden im Folgenden beschrieben. Ihre Betriebsweise wird anhand eines reinen nicht-einschränkenden Beispiels in Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung beschrieben:
Die bereits beschriebene 1 zeigt eine Demodulationsschaltung eines frequenzmodulierten Signals gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung, wie die Erfindung in einem Demodulator eingesetzt wird, und dient zur Beschreibung der Erfindung in ihrer allgemeinsten Form.
3 enthält die 3.1 bis 3.3. Es handelt sich um Kurven die die Amplitude der verschiedenen Signale im gleichen Zeitmaßstab darstellen.
Die Kurve 3.1 bezeichnet die Form eines Signals e₁(t) am Eingang einer Begrenzerschaltung, die die Eingangsschaltung eines Demodulators ist.
Die Kurve 3.2 zeigt eine Signalform e₂(t), die das umgesetzte Signal e₁(t) durch die Begrenzerschaltung ist.
Die Kurve 3.3 zeigt die Signalform e₄(t) am Ausgang einer unsymmetrischen Integratorschaltung gemäß der Erfindung. Diese Schaltung empfängt am Eingang das Signal e₂(t), das am Ausgang einer Begrenzerschaltung steht.
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltung für eine unsymmetrische Integration einer Impulsflanke am Ausgang der Begrenzerschaltung sowie eine vorteilhafte Variante dieser Ausführung.
5 enthält die 5.1 bis 5.5. Es handelt sich um Kurven, die auf derselben Zeitskala folgendes zeigen:
Für 5.1 die Form einer zu demodulierenden Kurve am Eingang der Begrenzerschaltung.
Für 5.2 eine Impulsfolge mit variabler Dauer am Ausgang der Begrenzerschaltung.
Für 5.3 die Form eines Signals an einem Punkt der in 4 beschriebenen Schaltung.
Für 5.4 die Form eines Signal am Ausgang der Schaltung gemäß der anhand von 4 beschriebenen ersten Ausführungsform.
Für 5.5 die Form eines Signals am Ausgang einer Schaltung gemäß einer vorteilhaften Variante der anhand von 4 beschriebenen Ausführungsform. 6 zeigt den bevorzugten Ausführungsmodus der Erfindung.
7 enthält die 7.1 bis 7.8. Es handelt sich um Kurven, die auf derselben Zeitskala folgendes darstellen:
Für 7.1 die Form einer zu demodulierenden Kurve am Eingang der Begrenzerschaltung.
Für die 7.2 und 7.3 die Form einer ersten bzw. einer zweiten Impulsfolge am Ausgang der Begrenzerschaltung.
Für die 7.4 und 7.5 die Form des Signals am Ausgang der beiden Schaltungen gemäß der Erfindung gemäß dem ersten Ausführungsmodus.
Für die 7.6 und 7.7 die Form des Signals am Ausgang der beiden Schaltungen gemäß der Erfindung, wie sie gemäß der vorteilhaften Ausführungsvariante ausgebildet sind.
Für 7.8 die Form des Signals am Ausgang der Schaltung für eine symmetrische Integration gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Für eine erste Lösung für das Verständnis des Arbeitsprinzips des Demodulators gemäß der Erfindung, wobei letztere anhand der 2 und 3 erläutert wird.
2 zeigt diagrammatisch die Lage der Schaltung gemäß der Erfindung im Hinblick auf Schaltungen gemäß dem Stand der Technik.
Die unsymmetrische Integratorschaltung 4 gemäß der Erfindung liegt, wie z.B. das monostabile Latch 2 des Standes der Technik, zwischen einer Begrenzerschaltung 1 und einem Tiefpassfilter 3. Die Begrenzerschaltung 1 empfängt am Eingang ein Signal e₁(t), dargestellt in 3.1, das das modulierte Signal ist, das man demodulieren möchte. Aus dieser Kurve erzeugt die Begrenzerschaltung in bekannter Weise ein Signal e₂(t), dargestellt in 3.2, gebildet aus einer Aufeinanderfolge von niedrigen und hohen Werten besteht. Eine abfallende Flanke wird jedes Mal erzeugt, wenn das Signal e₁(t) in positiver Richtung durch 0 läuft. Eine abfallende Flanke wird jedes Mal erzeugt, wenn das Signal e₁(t) mit einer negativen Ableitung durch 0 läuft.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erzeugt der unsymmetrische Integrator ein in 3.3 dargestelltes Signal e₄(t), das die Eigenschaften hat, dass sein augenblicklicher Mittelwert proportional zu dem Absolutwert der Augenblicksfrequenz des zu demodulierenden Signals e₁(t) ist. Dies ist das Signal, das wie im Stand der Technik in das Tiefpassfilter 3 eingeführt wird, um das Signal A₀ zu erzeugen.
Ein Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltung mit einer unsymmetrischen Integration gemäß der Gleichung:
wird im Folgenden anhand der 4 und 5 beschrieben.
In 4 ist das Ausführungsbeispiel der Integratorschaltung 4 immer zwischen einer Begrenzerschaltung 1 und einem Tiefpassfilter 3 dargestellt.
5 zeigt auf derselben Zeitskala die Formen der Signale an den verschiedenen Punkten der in 4 dargestellten Schaltung. Die Signale e₁(t) und e₂(t) am Eingang und am Ausgang der Begrenzerschaltung 1 bilden den Gegenstand der 5.1 bzw. 5.2. Sie wurden in 5 reproduziert um die Synchronitäten dieser Signale mit den verschiedenen Signalen zu erläutern, die in der unsymmetrischen Integratorschaltung 4 auftreten.
Die in 4 dargestellte Schaltung enthält einen differenziellen modifizierten Aufbau 30, z.B. aus zwei Transistoren Q₁ 6 und Q₂ 7. Jeder dieser Transistoren enthält einen Kollektor 8 bzw. 9, eine Basis 10 bzw. 11 und einen Emitter 12 bzw. 13.
Die folgende Beschreibung erfolgt für npn-Transistoren, jedoch kann der Fachmann auf diesem Gebiet leicht die Schaltung für die Anwendung von pnp-Tran-sistoren anpassen.
Die beiden Eingänge des differenziellen Aufbaus 30 bestehen aus den Verbindungen 14 und 15 an den Basen 10 und 11 jedes der Transistoren Q₁ 6 und Q₂ 7. Die erste Verbindung 14 des Transistors Q₁ 6 empfängt das Signal e₂(t) von dem Begrenzer 1. Die zweite Verbindung 15 des modifizierten differenziellen Aufbaus 30 empfängt den Ausgang einer Trennstufe mit der Verstärkung 16, deren Eingang 17 einerseits mit einem Stromgenerator 18 und andererseits mit einem Anschluss 19 einer Kapazität 20 und andererseits mit der Klemme 9 des Q₂ 7 verbunden ist. Das ist bedingt durch die Anwesenheit der Teile 16, 18 und 20 und des differenziellen Aufbaus 30, die im engen Sinne nur die Transistoren Q₁ 6 und Q₂ 7 enthalten die mit einer modifizierten differenziellen Struktur bezeichnet werden. Die Kapazität 20 muss nicht körperlich existieren, insbesondere bei einer hohen Frequenz, sondern es kann sich um eine Streukapazität handeln, d.h. eine Kapazität zwischen zwei Bauteilen der Schaltung. Die Kapazität 20 bildet vorzugsweise einen Teil der spezifischen integrierten Schaltung mit der Schaltung gemäß der Erfindung. Sie kann jedoch auch extern zu der Schaltung liegen. Der Stromgenerator 18 liefert einen Strom I₁ in Richtung der gemeinsamen Verbindung B des Anschlusses 19 der Kapazität 20 des Stromgenerators 18 und dem Eingang 17 der Trennstufe 16 mit der Verstärkung 1. Der Ausgang 21 des modifizierten differenziellen Aufbaus 30 besteht aus einem gemeinsamen Punkt 21 für die Emitter 12 und 13 der Transistoren Q₁ 6 und Q₂ 7. Ein Stromgenerator 22 ist mit einem gemeinsamen Punkt 21 verbunden. Er liefert einen Strom mit der Größe I₂, das das Doppelte des Stroms I₁ des Stromgenerators 18 ist. Der modifizierte differenzielle Aufbau 30 besteht aus den mit den Bezugsziffern 6 bis 22 versehenen Bauteilen.
Die Funktion des modifizierten differenziellen Aufbaus 30 wird im Folgenden erläutert. Die Verbindung 14 dieses modifizierten differenziellen Aufbaus 30 ist äquivalent zu dem Eingang e⁽⁺⁾ eines Schleifensystems, von dem die Verbindung 15 den Eingang e^(–) darstellt. Es ist bekannt, dass in einem derartigen System der Eingang e^(–) getreu – wenn nicht in irgendeiner Weise verhindert – dass der Verbindung e⁽⁺⁾ zugeführte Signal darstellt. Es wird angenommen, dass in einem Zeitpunkt to–ε die Verbindung e^(–) 15 genau das der Verbindung e⁽⁺⁾ 14 zugeführte Potential kopiert. Bei einer derartigen Annahme verteilt sich der Strom I₂ = 2 I₁ des Stromgenerators 22 gleichmäßig auf die Transistoren Q₁ 6 und Q₂ 7.
Der Strom des Kollektors 9 I_(c) des Transistors Q₂ 7 ist gleich dem Emitterstrom I_E desselben Transistors. Auf diese Weise wird der Strom I₁ des Stromgenerators 18 durch den Kollektor 9 des Transistors Q₂ 7 "absorbiert".
Es wird angenommen, dass bei t₀ ein positiver Übergang ΔV in der Form einer ansteigenden Flanke des Signals e₂(t) am Ausgang der Begrenzerschaltung 1 erscheint. Dieser Übergang erscheint auf der Verbindung e⁽⁺⁾ 10 des modifizierten differenziellen Aufbaus 30. Dieser Übergang wird in bekannter Weise auf den Emitter 12 des Transistors Q₁ 6 kopiert, wobei letzterer nicht anderes ist als eine Folgerstufe ist. Durch die Anwesenheit der Kapazität 20 kann die Verbindung e^(–) 15 nicht unverzüglich das der Verbindung e⁽⁺⁾ 14 zugeführte Potential kopieren. Die Verbindung e^(–) 15 bleibt vorübergehend bei dem niedrigen Wert, den er vor t₀ hatte. Der Transistor Q₂ 7 wird durch die Wirkung des positiven Übergangs ΔV gesperrt, der zwischen seinem Emitter 13 und seiner Basis 11 angelegt wird. Während der Transistor Q₂ 7 gesperrt wird, gelangt der Strom I₂ = 2 I₁ vollständig zu dem Emitter 12 des Transistors Q₁ 6. Der Wert des Stroms des Kollektors 9 I_(c) des Transistors Q₂ 7 wird Null. Der Strom I₁ wird in die Kapazität 20 "injiziert". Letztere lädt sich linear auf eine positive Spannung auf. Die Änderung an den Klemmen der Kapazität 20 gebildeten Spannung wird über die Trennstufe 16 mit der Verstärkung 1 auf die Verbindung e^(–) 15 übertragen.
kopiert die Verbindung e^(–) 15 des modifizierten differenziellen Aufbaus 30 das der Verbindung e⁽⁺⁾ 14 zugeführte Potential. Der Strom I₂ = 2 I₁ wird wieder symmetrisch auf die Transistoren Q₁ 6 und Q₂ 7 aufgeteilt, wodurch der Ladestrom der Kapazität 20 auf Null geht.
Im Zeitpunkt
wird ein negativer Übergang ΔV, der der abfallenden Flanke des Signals e₂(t) entspricht, der Verbindung e⁽⁺⁾ 14 des modifizierten differenziellen Aufbaus 30 zugeführt. Aufgrund des Typs des verwendeten Transistors und der Erscheinung der Kopie der durch die Kapazität 20 gespeicherten Spannung auf den Emitter 13 des Transistors Q₂ 7 über die Trennstufe mit der Verstärkung eins 16 wird der Transistor Q₁ 6 abgeschaltet. Der Strom I₂ = 2 I₁ des Stromgenerators 22 gelangt vollständig zu dem Emitter 13 des Transistors Q₂ 7. Der Wert des Stroms des Kollektors 9 I_c des Transistors Q₂ 7 ist im Wesentlichen gleich dem Wert I_E des Emitterstroms desselben Transistors. Der Stromgenerator 18 liefert nur einen Strom I₁, ebenfalls von der Kapazität 20. Die Kapazität 20 entlädt sich mit einem Strom I₁ auf negative Spannungen. Die Änderung der Spannung an den Klemmen der Kapazität 20 wird genau einerseits der Basis des Transistors Q₂ 7 über die Verbindung e^(–) 15 und andererseits dem Emitter 13 des Transistors Q₂ 7 zugeführt.
erreicht die Verbindung e^(–) 15 das der Verbindung e⁽⁺⁾ 14 zugeführte Potential. Die negative Rückkopplungsschleife wird wieder wirksam. Der modifizierte differenzielle Aufbaus 30 stabilisiert sich wieder bei einem Gleichgewicht. Der Wert des Kollektorsstroms 9 I_c des Transistors Q₂ 7 wird gleich I₁. Der Entladestrom der Kapazität 20 verschwindet. Der Zyklus ist beendet.
Der Wert der Spannung e₃(t), jeweils verfügbar zwischen Masse und dem gemeinsamen Verbindungspunkt B 19 zu der Kapazität 20 beim Stromgenerator 18 und am Eingang 17 der Trennstufe 16 ist in 5.3 dargestellt.
Die e₃(t) darstellende Kurve enthält einen linearen Anstieg während einer Zeit τ gleich der Ladezeit der Kapazität 20, eine Stufe während der Zeit T/2 – τ entspre chend der Zeit, während der modifizierte differenzielle Aufbau 30 das Signal an der Verbindung e⁽⁺⁾ 14 auf ihre Verbindung e^(–) 15 kopiert. Sie fällt schließlich linear ab während der Zeit τ, entsprechend der Entladezeit der Kapazität 20 unter einen Strom gleich I₁. Diese Weise wird die Konstante τ durch die Werte von I₁ und von C geregelt.
Abgesehen von dem Vorzeichen ist das Gesetz der Änderung des Signals e₄(t) an den Emittern 12 und 13 der Transistoren Q₁-6 und Q₂-7 genau identisch zu dem Signal in der 3.3 zur Beschreibung des vorgeschlagenen Frequenzdemodulationsprinzips. Der dieses Signal führende Ausgang 21 ist wie im Stand der Technik mit dem Eingang des Tiefpassfilters 3 über eine gestrichelt gezeichnete Verbindung 23 dargestellt.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird das Signal e₄(t) nicht direkt dem Tiefpassfilter 3 zugeführt. Es wird über einen Stromumschalter 24 zugeführt.
Die Aufgabe des Stromumschalters 24 besteht darin, das Signal e₄(t) am Ausgang 21 der Emitter 12 und 13 in ein Impulssignal mit Rechteckimpulsen umzusetzen, deren Filterung den Wert A₀ ergibt. Der Vorteil dieser Umsetzung ist zweifach. Einerseits ermöglicht sie die Eliminierung eines negativen Gleichspannungoffset, der das Signal e₄(t) beeinflusst. Dieser Offset erhöht die Amplitude des durch das Tiefpassfilter verarbeiteten Gleichspannungssignals und macht daher die Verarbeitung schwieriger, ohne einen anderen Vorteil. Andererseits ermöglicht sie den Übergang der Änderungen der Amplitude E von dem Nutzteil des Signals e₄(t). Diese Änderungen können z.B. durch Temperaturänderungen erfolgen. Ein Beispiel der Ausführungsform und der Wirkungsweise des Stromumschalters 24 werden im Folgenden anhand der 4 beschrieben.
Das Signal e₄(t) wird einem Eingang des Stromumschalters 24 zugeführt, z.B. mit einem differenziellen Aufbau mit zwei Transistoren Q₃ 25 und Q₄ 26, deren Emitter 27 bzw. 28 miteinander verbunden sind. Die gemeinsame Verbindung der Emitter 27 und 28 ist mit einer einen Strom I₃ liefernden Stromquelle 29 verbunden.
Die Basis 31 des Transistors Q₃ 25 empfängt das Signal e₄(t). Die Basis 32 des Transistors Q₄ 26 ist mit einer V_ref bezeichneten Spannungsquelle verbunden, deren Wert größer als der untere Wert des Signals e₄(t) und kleiner als der hohe Wert sein muss. Der Kollektor 33 des Transistors Q₃ 25 ist z.B. mit Erde verbunden. Der Kollektor 34 des Transistors Q₄ 26 ist mit dem Tiefpassfilter 3 verbunden.
Die Arbeitsweise ist folgende: Solange die der Basis des Transistors Q₃ 25 zugeführte Spannung kleiner ist als die Spannung V_ref, wird der Strom I₃ über das Tiefpassfilter 3 durch den Transistor Q₄ 26 umgeschaltet, da der Transistor Q₃ 25 gesperrt ist. Wenn die der Basis 31 des Transistors Q₃ 25 zugeführte Spannung größer wird als die Referenzspannung V_ref, ist der Transistor Q₃ 25 leitend. Der Strom I₃ wird durch den Transistor Q₃ 25 umgeschaltet. Der Transistor Q₄ 26 wird gesperrt.
Auf diese Weise erfolgt eine Injizierung in das Tiefpassfilter 3 der Stromimpulse in das Tiefpassfilter 3, gekennzeichnet durch eine Amplitude gleich I₃ und eine Dauer gleich
τ₁ die Zeit ist, die das Signal e₄(t) benötigt, um sich von seinem hohen Wert zu dem Wert V_ref zu ändern.
Es kann gezeigt werden, dass der Mittelwert der derart erzeugten Stromimpulse proportional ist zu dem Mittelwert des Signals e₄(t) und somit zu dem Wert der zu demodulierenden Frequenz. Das am Eingang des Tiefpassfilters 3 stehende Signal e₅(t), das durch den Kollektor 34 des Transistors Q₄ 26 zugeführt wird, ist in 5.5 dargestellt. Es handelt sich um eine Impulsfolge. Jede Impulsfolge hat eine Dauer gleich
Ihre Frequenz ist proportional zu der Augenblicksfrequenz des zu demodulierenden Signals.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr beschrieben und ihre Betriebsweise anhand der 6 und 7 erläutert.
6 zeigt ein Beispiel einer elektrischen Schaltung einer Schaltung 60 gemäß der Erfindung. 7 zeigt auf derselben Zeitskala die Form der Signale an den verschiedenen Punkten der in 6 dargestellten elektrischen Schaltung. Sie enthält die 7.1 bis 7.8.
Die in 6 dargestellte Schaltung ist, wie diejenige, die in 4 dargestellt ist, eine Schaltung, die ein Signal e₂(t) von einem Ausgang eines Begrenzers 1' und ein zu demodulierendes Signal e₁(t) empfängt. Der Begrenzer 1' für die Anwendung bei der Schaltung 60 hat zwei symmetrische Ausgänge, einen ersten 14' und einen zweiten 14''. Die am ersten Ausgang dargestellten Signale sind positive Impulse e'₂(t), wie diejenigen, die oben anhand der 3.2 beschrieben wurden. Die Signale e''₂(t) an dem zweiten Ausgang 14'' sind Impulse symmetrisch zu denjenigen des Signals e'₂(t). Der Ausdruck "symmetrisch" bedeutet, dass die Impulse des Signals e''₂(t) ihre Punkte bei dem geringen Wert haben, während das Signal e'₂(t) seine Punkte bei dem hohen Wert hat. Es ist nicht wichtig, dass die Unterschiede zwischen dem geringen Wert und dem hohen Wert der Signale e'₂(t) und e''₂(t) zueinander gleich sind. Es ergibt sich, dass in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel das der Fall ist. Die Signale e₁(t), e₂(t) und e''₂(t) bilden jeweils den Gegenstand der 7.1 bis 7.3.
Der Ausgang 34 der Schaltung 60 ist wie in dem anhand der 4 beschriebenen Beispiel mit einem Tiefpassfilter 3 verbunden.
Im Folgenden wird die Schaltung 60 beschrieben. Die Schaltung enthält zwei modifizierte differenzielle Aufbauten 30' und 30''. Die modifizierten, differenziellen Aufbauten 30' und 30'' enthalten dieselben und in derselben Weise verbundenen Elemente. Diese Elemente sind dieselben und untereinander in derselben Weise verbunden, wie die anhand der 4 beschriebene Schaltung, und enthalten die Bezugsziffer 30. In 6 dienen für die modifizierten differenziellen Aufbauten 30 und 30'' dieselben Bezugszeichen wie diejenigen, die zur Beschreibung des modifizierten differenziellen Aufbaus der 4 mit den hochgestellten Bezeichnungen ' und ''. Der modifizierte differenzielle Aufbau 30 der 6 nimmt den linken Teil der Figur ein. Der modifizierte differenzielle Aufbau 30 nimmt den rechten Teil der 6 ein.
Der modifizierte differenzielle Aufbau 30' ist mit dem ersten Ausgang 14' des Begrenzers 1' verbunden. Der modifizierte differenzielle Aufbau 30'' ist mit dem zweiten Ausgang 14'' des Begrenzers 1' verbunden. Die Ausgänge 31' und 31'' der modifizierten differenziellen Aufbauten 30' und 30'' könnten miteinander verbunden sein und das Tiefpassfilter 3 speisen. In vorteilhafter Weise ist jeder der Ausgänge 31' und 31'' mit einem Stromumschalter 24' bzw. 24'' verbunden.
Jeder der Stromumschalter 24' und 24'' enthält dieselben Elemente, die in derselben Weise miteinander verbunden sind, wie diejenigen des anhand der 4 beschriebenen Stromumschalters 24. Demzufolge tragen die Elemente der Stromumschalter 24' und 24'' dieselben Bezugszeichen wie diejenigen ihres Pendants von 4.
Jeder der Ausgänge 31' und 31'' der modifizierten differenziellen Aufbauten 30' und 30'' speist einen Eingang der Stromumschalter 24' und 24''. Die Kollektoren 34' und 34'' der Stromumschalter 24' und 24'' sind miteinander verbunden und speisen das Tiefpassfilters 3.
Die detaillierte Wirkungsweise und die detaillierte Beschreibung der modifizierten differenziellen Aufbauten 30' und 30'', die Stromumschalter 24' und 24'', die die Schaltung 60 bilden, werden nicht wiederholt. Der Leser wird verwiesen auf die Beschreibung des modifizierten differenziellen Aufbaus 30 und des Stromumschalters 24 in Zusammenhang mit der 4.
Der Vorteil dieses doppelten Aufbaus wird nunmehr anhand der 7.4 bis 7.8 beschrieben. Die 7.4 und 7.5 zeigen jeweils die Form der Signale am Ausgang 31' des modifizierten differenziellen Aufbaus 30' und am Ausgang 31'' des modifizierten differenziellen Aufbau 30''.
Die Symmetrie der Signale e'₂(t) und e''₂(t) am Eingang 14' und 14'' jeder der Schaltungen bewirkt einen Offset mit einer halben Periode in der Form der Signale e'₄(t) und e''₄(t) die an den Ausgängen 31' und 31'' der modifizierten differenziellen Aufbauten 30' und 30'' stehen. Dieser Offset ist ersichtlich, wenn man die in den 7.4 bzw. 7.5 dargestellten Kurven vergleicht.
Auf Grund dieses Offsets ergibt sich außerdem ein Offset gleich einer halben Periode der modulierten Frequenz e₁(t) am Eingang der Schaltung 60 zwischen den Kollektoren 34' und 34'' der Stromumschalter 24' und 24''. Die Signale e'₅(t) und e''₅(t) an den Kollektoren 34' und 34'' der Stromumschalter 24' und 24'' sind ebenfalls zeitlich um eine Halbperiode gegeneinander versetzt. Sie sind in den 7.6 und 7.7 dargestellt.
Das Signal in dem Kollektor 34 des Doppelaufbaus 24' und 24'' ist zusammengesetzt aus der Addition der Signale e'₅(t) und e''₅(t) in den Kollektoren 34' und 34''. Somit hat man am Ausgang der Schaltung 60 in 7.8 dargestellte Impulse, deren Frequenz das Doppelte ist der Augenblicksfrequenz am Eingang der Schaltung 60. Der Vorteil dieser Verdoppelung ist dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt. Er wird im Folgenden erneut beschrieben.
Einerseits vergrößert er um den Faktor 2 die Amplitude des am Ausgang der Tiefpassschaltung 3 detektierten Signals, jedoch andererseits verdoppelt er die Grundfrequenz der Frequenz der ersten Harmonischen dieser verdoppelten Frequenz. Dadurch wird der Aufbau des Tiefpassfilters 3 erleichtert.
Die Schaltung gemäß der Erfindung hat den Vorteil, dass sie vollständig in einer speziell für diesen Zweck gewidmeten integrierten Schaltung enthalten sein kann. Jedoch in einigen Fällen, insbesondere dann, wenn der Wert der Kapazität 20 groß ist, kann es vorteilhaft sein, die Schaltung derart auszubilden, dass sie Anschlüsse für den Anschluss von einer oder mehreren Kapazitäten 20 oder 20' oder 20'' aufweist.
Es ist eine Kapazität 20 vorgesehen, wenn die Schaltung gemäß dem in 4 beschriebenen Modus ausgebildet ist.
Sie hat zwei Kapazitäten 20', 20'', wenn die Schaltung in der in 6 beschriebenen Weise ausgebildet ist. In diesem Fall bilden die integrierte Schaltung die Kapazitäten) eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.

Claims

Demodulatorschaltung (30, 24, 60, 24', 24'') für ein Signal, das durch die Augenblicksfrequenz des Signals frequenzmoduliert ist, das sich zwischen einem Frequenzminimum fmin und einem Frequenzmaximum fmax ändert, wobei die Schaltung wenigstens einen Eingang (14, 14', 14'') aufweist, der ein Eingangssignal aus einer Impulsfolge empfängt, wobei jeder Impuls eine Anstiegsflanke und eine Abfallflanke aufweist und die Höhe eines Impulses des Eingangssignals gleich der Differenz zwischen dem Signalwert vor einer Anstiegsflanke oder Abfallflanke und ihr Wert nach der Anstiegsflanke oder Abfallflanke ist, wobei die Schaltung (30, 24, 60, 24', 24'') an einem Ausgang (21, 34) der Schaltung ein Signal erzeugt, dessen augenblickliches Integral über die Zeit bei einem Wert proportional zu der Augenblicksfrequenz der das Eingangssignal darstellenden Impulse ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung eine Integration über die Zeit der Höhe wenigstens einer der Flanken jedes Impulses des Eingangssignals der Schaltung aufweist und die Integrationszeit der Höhe jeder integrierten Flanke eine Zeit τ und höchstens gleich 1/2 fmax beträgt.
Schaltung (30, 24, 60, 24', 24'') nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Kapazität (20), deren Ladestrom während der Zeit τ die Integration der integrierten Flanke bildet.
Schaltung (30, 24, 60, 24', 24'') nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch wenigstens einen modifizierten differenziellen Aufbau (30), dass der Aufbau wenigstens zwei aktive Elemente (6, 7) in einer symmetrischen Anordnung enthält, jedes aktive Element wenigstens einen Anschluss aufweist, einer der Anschlüsse (15) eines aktiven Elements (7) den Ausgang einer Trennstufe mit der Verstärkung eins (16) empfängt, die einen Eingang (17) ent-hält, wobei dieser Eingang (17) mit einem Punkt B (19) verbunden ist, mit dem außer dem ein Anschluss der Kapazität (20) zur Integration und ein Konstantstromgenerator (18) angeschlossen sind.
Schaltung (30, 24, 60, 24', 24'') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden aktiven Elemente zwei Transistoren (6, 7), ein erster (6) und ein zweiter (7) sind, dass jeder Transistor (6, 7) einen Emitter (12, 13), einen Kollektor (8, 9) und eine Basis (10, 11) aufweist.
Schaltung (30, 24, 60, 24', 24'') nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (15), die den Ausgang der Trennstufe mit der Verstärkung eins (16) und dem Kollektor (19) eines der Transistoren (7) empfängt.
Schaltung (30, 24, 60, 24', 24'') nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitter (12, 13) jedes der Transistoren (6, 7) miteinander an einem Punkt (21) verbunden sind, an den ein Stromgenerator (22) angeschlossen ist.
Schaltung (30, 24, 60, 24', 24'') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Verbindungspunkt (21) der Emitter (12, 13) jedes der Emitter den Ausgang (21) der Schaltung (30, 60) darstellt.
Schaltung (30, 24, 60, 24', 24'') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (30) außerdem einen Stromumschalter (24) mit einem Eingang (31), einem Ausgang (32) aufweist, und der Eingang (31) des Stromumschalters (24) an einem gemeinsamen Punkt mit den Emittern (12, 13) der Transistoren (6, 7) verbunden ist und der Ausgang (34) des Stromumschalters (24) den Ausgang der Schaltung (30, 24) bildet.
Schaltung (30, 24, 60, 24', 24'') nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromumschalter (24) einen differenziellen Aufbau aufweist, der aus zwei aktiven und symmetrisch geschalteten Elementen (25, 26) besteht.
Schaltung (30, 24, 60, 24', 24'') nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden aktiven Elemente (25, 26) des Stromumschalters (24) zwei Transistoren (25, 26) sind, von denen jeder eine Basis (31, 32), einen Kollektor (33, 34) und einen Emitter (27, 28) aufweist.
Schaltung (30, 24, 60, 24', 24'') nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoren (27, 28) der Transistoren (25, 26) des Stromumschalters 24 miteinander verbunden sind ihre gemeinsame Verbindung mit einem Stromgenerator (29) verbunden ist.
Schaltung (30, 24, 60, 24', 24'') nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang (31) des Stromumschalters (24) aus der Basis (31) eines der Transistoren (25) besteht, der Ausgang aus dem Kollektor (34) des anderen Transistors (26) besteht und die Basis (32) dieses anderen Transistors (26) eine Referenzspannung empfängt.
Schaltung (30, 24, 60, 24', 24''), dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei differenzielle Aufbauten nach einem der Ansprüche 3 bis 8 enthält, und jeder der beiden Aufbauten die selben Elemente wie der andere enthält, in derselben Weise geschaltet ist und jeder Aufbau (30', 30'') einen Eingang aufweist und die Ausgänge jedes der Aufbauten (21', 21'') miteinander verbunden sind.
Schaltung (30, 24, 60, 24', 24'') nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch zwei Schaltungen (30', 30'', 24', 24''), jede der beiden Schaltungen dieselben Elemente wie die andere aufweist und derselben Weise verbunden ist, und jede Schaltung einen Eingang (14', 14'') aufweist, und die Ausgänge (34', 34'') jeder der Schaltungen (30', 30'', 24', 24'') miteinander verbunden sind.
Integrierte Schaltung mit einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Integrierte Schaltung und eine Kapazität (20), die gemeinsam eine Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 bilden.
Demodulator für ein frequenzmoduliertes Signal mit einer Begrenzerschaltung (1) mit einem das frequenzmodulierte Signal empfangenden Eingang erzeugt und an wenigstens einem Ausgang (14, 14', 14'') einer Impulsfolge erzeugt, deren Frequenz eine Funktion der Augenblicksfrequenz des Eingangssignals ist, einem Tiefpassfilter (3) mit einem Ausgang und einem Eingang, wobei der Ausgang ein Signal liefert, das die Modulation durch das frequenzmodulierte Signal darstellt, gekennzeichnet durch eine Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei diese Schaltung die Impulsfolge am Ausgang (14, 14', 14'') der Begrenzerschaltung (1) empfängt und das Tiefpassfilter (3) speist.
Demodulator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass er auf einer integrierten Schaltung ausgebildet ist.
Demodulator, dadurch gekennzeichnet, dass er zum Teil auf einer integrierten Schaltung ausgebildet ist und dieser Teil wenigstens eine Kapazität enthält, die mit diesem Teil verbunden ist und zusammen einen Demodulator nach Anspruch 17 bildet.