DE69928653T2 - Elektronische schaltungen - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft elektronische Schaltungen und insbesondere die Demodulation von frequenzmodulierten (FM) Funksignalen.
• Während elektronische Schaltungen für die Demodulation von FM-Signalen bekannt sind seit dem Einsatz von FM für Radiofunksendungen in den 1930er-Jahren, bestand ein größeres Problem mit allen existierenden Demodulatoren, nämlich dass wenn zwei FM-Übertragungen den Empfänger auf derselben Trägerfrequenz und Amplitude erreichen, wechselseitige Zerstörung der beiden Übertragungen erfolgt und jegliche Verständlichkeit verloren geht.
• Dies ist eine fundamentale Eigenschaft von FM-Demodulatoren, die sättigende Schaltungen vor dem FM-Modulator einsetzen, um Amplitudenrauscheffekte zu entfernen, die das erwünschte Signal stören.
• Dieser Effekt wird als Gleichkanalstörung bezeichnet, insbesondere wenn die zweite störende Übertragung eine verschiedene Station ist. Es gibt vier andere Typen von vergleichbaren Störungen, die in dem vollständigen Verlust des Signals resultieren.
• Der erste Typ wird bezeichnet als Mehrwegausbreitung, wenn eine verzögerte Version desselben Signals an der Antenne empfangen wird.
• Der zweite Typ wird bezeichnet als quasi-synchrone Ausbreitung, wenn dieselbe Nachricht auf der selben Frequenz übertragen wird, aber von einem anderen Sendeort. Beim Überlappen des Empfangs geht jede Verständlichkeit verloren.
• Der dritte Typ wird bezeichnet als selbststörend oder beliebig störend, wenn ein unmodulierter Träger bei gleicher Amplitude zu dem gewünschten modulierten Träger übertragen wird. Dies geschieht im allgemeinen unter militärischen Umständen einschließlich der Laser-Doppler-Metrie.
• Der vierte Typ wird bezeichnet als Grenzwertbedingung, wenn das Signal sehr schwach ist im Verhältnis zum allgemeinen Rauschpegel. Hierbei besteht eine nicht-proportionale Zunahme im demodulierten Rauschpegel, die zu einem Verlust an Verständlichkeit führt.
• Diese Probleme existieren für alle FM-Übertragungen, gleich ob in einem analogen oder digitalen Format, und umfassen ein breites Spektrum an Technologien.
• Demodulationstechniken sind bekannt, die den ersten und den zweiten Typ von Störungen abmildern, d.h. Mehrweg und Quasi-synchron. In diesen Schaltungen ist der Ausgang die Summe der beiden Träger und es gibt kein Erfordernis, die beiden Träger zu trennen, da dieselbe Information von diesen beiden getragen wird. Jedoch sind diese bekannten Techniken nicht geeignet zum Trennen eines Paares von unabhängig voneinander modulierten Gleichkanalstörungsträgern, d.h. zwei Träger von vergleichbarer Stärke (1 bis 15 dB Differenz) und die dieselbe oder eine ähnliche Trägerfrequenz aufweisen. Das Dokument „Pettigrew A.: 'Demodulation a New Approach' Electronics World and Wireless World, Vol. 101, No. 1717, 1 December 1995, Seiten 1026 bis 1031, XP000548984" beschreibt ein solches Demodulationsverfahren, bei dem beteiligt sind eine Amplitudenregelschleife, die verwendet wird in Zusammenwirken mit einer Phasenregelschleife.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben zum Minimieren und, in einigen Fällen, zum Eliminieren der vorbezeichneten Probleme für FM-Demodulatoren.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die entsprechende Schaltung gemäß Anspruch 9.
• Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun beispielshalber beschrieben unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, in denen:
• 1 ein Blockdiagramm des Ausgangszustands der erfindungsgemäßen Schaltung ist;
• 2 ein Blockdiagramm der Nennerfunktionsgeneratorsstufe ist;
• 3 ein Blockdiagramm der Zählerfunktionsgeneratorstufe ist;
• 4 Wellenformen sind von verschiedenen Signalen des Blockdiagramms der 1 bis 3;
• 5 ein Blockdiagramm einer amplitudenstarren Schleife (ALL) Schaltung zum Erzeugen der erfindungsgemäßen Quotientenfunktion ist;
• 6 Wellenformen der Signale der Schaltung von 5 sind;
• 7 ein Blockdiagramm von phasenstarren Schleifen, die in der erfindungsgemäßen Schaltung eingesetzt werden, sind;
• 8 ein Blockdiagramm ist, das die dominanten und den subdominanten Kanäle der erfindungsgemäßen Schaltung darstellt; und
• 9, 10 und 11 Wellenformen illustrieren der Schaltung aus 8.
• Unter Bezugnahme auf 1 wird ein original empfangener Gleichkanalträger v₀ durch eine r.f./i.f. Stufe 101 und durch eine automatische Verstärkungsregelungsschaltung (AGC) 102 geführt, um v₁ zu ergeben, welches als Gleichkanalträger bezeichnet ist.

  

  worin m das Verhältnis des Störträgers zum Nutzträger ist;
  ω_c die Winkelfrequenz des Nutzträgers ist;
  ω_m die Modulationsfrequenz ist;
  ω_d die Differenzfrequenz zwischen dem Nutzträger und dem Störträger ist; und
  β die Modulationstiefe ist.
• v₁ ist daher
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• Der Gleichkanalträger v₁ wird einer ersten reinen Quadrierschaltung 103 zugeführt und ergibt v₂, der als der reiner quadrierter empfangener Gleichkanalträger bezeichnet wird, worin
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• v₂ wird dann einem Tiefpassfilter 104 zugeführt, um einen gefilterten quadrierten Träger v₃ zu ergeben, worin
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• Wird m' definiert als 2m/1 + m²
  wird v₃ zu 1 + m'cosω_dt.
• Unter Bezugnahme auf 2 wird das gefilterte quadrierte Signal v₃ zu einem kleinen Gleichgliedinhalt v₇ im Addierglied 108 addiert und ergibt eine Nennerfunktion, Signal v₈, worin v8 = 1 + m'cosωdt + voffset
• Bezugnehmend auf 3 wird v₃ einem Hochpassfilter 105 zugeführt zum Entfernen des Gleichgliedinhaltes, um v₄ zu ergeben, worin v4 = m'cosωdt
• v₄ wird dann einer zweiten reinen Quadrierschaltung 106 zugeführt, um v₅ zu ergeben, das als doppelt quadrierter Gleichkanalträger bezeichnet wird, worin v5 = m'2cos2ωdt
• v₅ wird dann einem Tiefpassfilter 107 zugeführt und ergibt ein gefiltertes zweifach quadriertes Signal, worin v6 = m'2
• Addierglied 109 dient zum Addieren des Signals v₆, Signal v₄ und Abziehen des Gleichgliedinhaltes v₇ zum Ergeben der Zählerfunktion v₉, worin v9 = m'2 + m'cosωdt – voffset
• Die hauptsächlichen Wellenformen der Signale, die in den Schaltungen der 1 bis 3 erscheinen, sind in 4 dargestellt.
• Die Nennerfunktion v₈ aus der Schaltung von 2 und die Zählerfunktion v₉ aus der Schaltung von 3 werden unter Bezugnahme auf 5 wie folgt verarbeitet.
• Die Nennerfunktion v₈ und die Zählerfunktion v₉ werden in einer Amplitudenregelschleifen(ALL)-Schaltung 110 verarbeitet. Die ALL-Schaltung 110 umfasst ein Addierglied 111, einen Operationsverstärker 112 und ein Multiplizierglied 113. Der Ausgang des ALL 110 ist eine Quotientenfunktion v₁₀, die erhalten wird durch Dividieren der Zählerfunktion v₉ durch die Nennerfunktion v₈, um zu ergeben
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• Die Quotientenfunktion v₁₀ wird einem Addierglied 115 zugeführt, dem ebenfalls zugeführt wird ein Gleichgliedsignal v₁₁.
• In einem normalisierten System hat das Signal v₁₁ einen Wert von 1 Volt. v₁₀ und v₁₁ werden kombiniert und ergeben ein Signal v₁₂, wo v₁₂ definiert wird als v₁₀ + 1, woraus
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• Die hauptsächlichen Wellenformen der Signale, die in der Schaltung gemäß 5 erscheinen, werden in 6 dargestellt.
• Die Signale v₁₀ und v₁₂ werden eingesetzt, um einen FM-Demodulator wie in 8 dargestellt zu konditionieren.
• Unter Bezugnahme nunmehr auf 7, einem Phasenregelschleifen-(PLL)-Demodulator 117, dessen Eingang der stabilisierte Ausgang der AGC-Schaltung 102 von 1 ist, also der Gleichkanalträger v₁, und erzeugt einen Ausgang v₁₃, der eine Kombination des dominanten Trägers und des subdominanten Trägers ist, wobei die Dominante ein unmodulierter Träger ist und der subdominante Träger ein modulierter Träger ist.
• Der Ausgang v₁₃ kann dann ausgedrückt werden als
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• Unter Bezugnahme auf 8 umfasst der FM-Demodulator einen subdominanten Kanal 121 und einen dominanten Kanal 122.
• Der subdominante Kanal 121 umfasst ein Multiplizierglied 123, dem das Signal v₁₀ und das Signal v₁₃ zugeführt werden. Der Ausgang des Multiplizierers 123 (Signal v₁₄) wird durch einen Tiefpassfilter 125 geführt und ergibt ein Signal v₁₅, das das wiederhergestellte subdominante Signal ist, welches einem Pegelkonditionierglied 127 zugeführt wird, dessen zweiter Eingang das gefilterte doppelt quadrierte Trägersignal v₆ ist. Der Ausgang des Pegelkonditionierers 127 ist subdominantes Signal v₁₆, frei von Störungssignalen des dominanten Trägers, und wiederhergestellt in seinem normalen Wert.
• Die Wellenformen für den subdominanten Kanal 121 sind in 9 dargestellt, wenn das subdominante erwünschte Signal moduliert ist.
• In dem Fall, wo das dominante, unerwünschte Signal moduliert ist, wie in 10 dargestellt, resultiert Wellenform v₂₃ multipliziert mit Signal v₁₀ in Unterdrückung des dominanten Signals, wie in Wellenform v₂₅ dargestellt.
• Der dominante Kanal 122 umfasst ein Multiplizierglied 124, dem Signal v₁₂ und Signal v₁₃ zugeführt werden, um den Ausgang v₁₇ zu erzeugen. Der Ausgang des Multiplizierers 124, v₁₇, wird dem Addierglied 128 durch einen Tiefpassfilter 126 zugeführt. Ein zweiter Eingang des Addierglieds 128 ist das Signal v₁₅ vom Tiefpassfilter 125 in dem subdominanten Kanal 121. Der Ausgang des Addierglieds 128 ist dann der dominante Träger, der frei von Nebensignaleffekten von dem subdominanten Träger ist. Die Wellenformen für den dominanten Kanal sind in 11 gezeigt.
• Daher hat die Schaltung zwei unterscheidbare Ausgänge. Der erste, v₁₆, ist der wiederhergestellte subdominante Inhalt frei vom dominanten Trägerinhalten, und der zweite, v₁₉, ist der wiederhergestellte dominante Träger frei von subdominanten Inhalt.
• Die erfindungsgemäßen Schaltungen schaffen daher eine Trennung von zwei unabhängig modulierten Gleichkanalstörungsträgern ähnlicher Stärke und mit derselben oder ähnlicher Trägerfrequenz.

Claims (15)

1. Eine Methode zur Demodulation von FM-Signalen; die FM-Signale bestehen aus einem Nutzträgersignal und einem Störträgersignal; die Methode besteht aus den Schritten: – Generierung eines ersten Signals (v₃) aus einem Anfangssignal (v₁), wobei das besagte erste Signal (v₃) eine Funktion des Verhältnisses (m) des Störträgers zum Nutzträger und der Augenblicksdifferenz (? _d) zwischen der Frequenz des Nutzträgers und des Störträgers ist; Generierung eines zweiten Signals (v₄) aus dem besagten ersten Signal (v₃) durch Entfernung aller Gleichglieder aus dem besagten ersten Signal (v₃); Bildung des mathematischen Quadrats (v₅) des besagten zweiten Signals (v₄); Generierung eines Gleichglieds (v₆) aus dem besagten quadrierten Signal (v₅); Bildung einer Zählerfunktion (v₉), die eine Funktion des besagten Gleichglieds (v₆), des besagten zweiten Signals (v₄) und eines DC-Offsets (v₇) darstellt; Bildung einer Nennerfunktion (v₈), die eine Funktion des besagten ersten Signals (v₃) und des besagten DC-Offsets (v₇) darstellt; Ausführung einer Division zwischen der besagten Zählerfunktion (v₉) und der besagten Nennerfunktion (v₈), um eine Quotientenfunktion (v₁₀) zu bilden; Generierung, aus besagtem Anfangssignal, eines demodulierten FM-Signals (v₁₃), das eine Kombination des Nutzträgersignals und des Störträgersignals darstellt; Multiplizierung der besagten Quotientenfunktion (v₁₀) mit dem besagten demodulierten FM-Signal (v₁₃), um ein erstes Zwischensignal (v₁₄) zu generieren; Weiterleitung des besagten ersten Zwischensignals (v₁₄) durch einen Tiefpassfilter, um ein erstes gefiltertes Signal (v₁₅) zu generieren; und Multiplizierung des besagten ersten gefilterten Signals (v₁₅) mit dem besagten Gleichglied (v₆), um ein erstes gewünschtes Signal (v₁₆) zu erhalten.
2. Eine Methode wie in Patentanspruch 1 beansprucht, wobei das besagte erste Signal (v₃) durch Quadrierung eines Anfangssignals (v₁) generiert wird, um ein quadriertes Anfangssignal zu erhalten (v₂), und Weiterleitung des besagten quadrierten Anfangssignals (v₂) durch einen Tiefpassfilter (104).
3. Eine Methode wie in Patentanspruch 2 beansprucht, wobei das besagte Anfangssignal (v₁) dadurch entsteht, indem ein Eingangsgleichkanalträger (v₀) durch eine automatische Verstärkungsregelungsschaltung (102) geleitet wird.
4. Eine Methode wie in allen vorstehenden Patentansprüchen beansprucht, wobei die besagte Quotientenfunktion (v₁₀) dadurch gebildet wird, indem die besagte Zählerfunktion (v₉) durch die besagte Nennerfunktion (v₈) in einer Amplitudenregelschleifenschaltung (110) geteilt wird.
5. Eine Methode wie entweder in Patentanspruch 3 oder Patentanspruch 4 beansprucht, wobei das besagte demodulierte FM-Signal (v₁₃) dadurch generiert wird, indem das besagte Anfangssignal (v₁) durch eine Phasenregelschleifenschaltung (117) geleitet wird.
6. Eine Methode wie in allen vorherstehenden Patentansprüchen beansprucht, inklusive des Schrittes der Hinzufügung einer Gleichspannung (v₁₁) zu der besagten Quotientenfunktion (v₁₀), um ein modifiziertes Quotientensignal (v₁₂) zu generieren.
7. Eine Methode wie in Patentanspruch 6 beansprucht, inklusive des Schrittes der Multiplizierung des besagten modifizierten Quotientensignals (v₁₂) mit dem besagten demodulierten Signal (v₁₃), um ein zweites Zwischensignal (v₁₇) zu erhalten.
8. Eine Methode wie in Patentanspruch 7 beansprucht, inklusive der Weiterleitung des besagten zweiten Zwischensignals (v₁₇) durch einen Tiefpassfilter (126), um ein zweites gefiltertes Signal (v₁₈) zu erhalten, und Subtrahierung des besagten ersten gefilterten Signals (v₁₅) von dem besagten zweiten gefilterten Signal (v₁₈), um ein zweites gewünschtes Signal (v₁₉) zu erhalten.
9. Eine Schaltung zur Demodulation von FM-Signalen; die FM-Signale bestehen aus einem Nutzträgersignal und einem Störträgersignal; die Schaltung besteht aus Hilfsmitteln (102, 103, 104) zur Generierung eines ersten Signals (v₃) aus einem Anfangssignal (v₁), wobei das besagte erste Signal (v₃) eine Funktion des Verhältnisses (m) des Störträgers zum Nutzträger und der Augenblicksdifferenz (? _d) zwischen der Frequenz des Nutzträgers und des Störträgers ist; Hilfsmitteln (105) zur Generierung eines zweiten Signals (v₄) aus dem besagten ersten Signal (v₃) durch Entfernung aller Gleichglieder aus dem besagten ersten Signal (v₃); einer Quadrierschaltung (106) zur Bildung des mathematischen Quadrats (v₅) des besagten zweiten Signals (v₄); Hilfsmitteln (107) zur Generierung eines Gleichglieds (v₆) aus dem besagten quadrierten Signal (v₅); Hilfsmittel (109) zur Bildung einer Zählerfunktion (v₉), die eine Funktion des besagten Gleichglieds (v₆), des besagten zweiten Signals (v₄) und eines DC-Offsets (v₇) darstellt; Hilfsmittel (108) zur Bildung einer Nennerfunktion (v₈), die eine Funktion des besagten ersten Signals (v₃) und des besagten DC-Offsets (v₇) darstellt; einer Divisionsschaltung (110) zur Ausführung einer Division zwischen der besagten Zählerfunktion (v₉) und der besagten Nennerfunktion (v₈), um eine Quotientenfunktion (v₁₀) zu bilden; Hilfsmittel (117) zur Generierung, aus besagtem Anfangssignal, eines demodulierten FM-Signals (v₁₃) durch die Kombination des Nutzträgersignals mit dem Störträgersignal; einer Multiplizierungsschaltung (123) zur Multiplizierung der besagten Quotientenfunktion (v₁₀) mit dem besagten demodulierten FM-Signal (v₁₃), um ein erstes Zwischensignal (v₁₄) zu generieren; einem Tiefpassfilter (125), der das besagte erste Zwischensignal (v₁₄) als Eingangssignal erhält und ein erstes gefiltertes Signal (v₁₅) als Ausgangssignal wieder ausgibt; und einer Multiplizierungsschaltung (127) zur Multiplizierung des besagten ersten gefilterten Signals (v₁₅) mit dem besagten Gleichglied (v₆), um ein erstes gewünschtes Signal (v₁₆) zu erhalten.
10. Eine Schaltung wie in Patentanspruch 9 beansprucht, bei der das besagte Hilfsmittel zur Generierung des besagten zweiten Signals (v₄) aus dem besagten ersten Signal (v₃) ein Hochpassfilter (105) ist.
11. Eine Schaltung wie entweder in Patentanspruch 9 oder Patentanspruch 10 beansprucht, bei der das besagte Hilfsmittel zur Generierung des besagten Gleichglieds (v₆) ein Tiefpassfilter (107) ist.
12. Eine Schaltung wie in einem der Patentansprüche 9 bis 11 beansprucht, bei der das besagte Hilfsmittel zur Generierung der besagten Zählerfunktion (v₉) eine Additionsschaltung (109) ist.
13. Eine Schaltung wie in einem der Patentansprüche 9 bis 12 beansprucht, bei der das besagte Hilfsmittel zur Generierung der besagten Nennerfunktion (v₈) eine Additionsschaltung (109) ist.
14. Eine Schaltung wie in einem der Patentansprüche 9 bis 13 beansprucht, bei der das besagte Hilfsmittel zur Generierung der besagten Divisionsschaltung (110) eine Amplitudenregelschleifenschaltung ist.
15. Eine Schaltung wie in einem der Patentansprüche 9 bis 14 beansprucht, bei der das besagte Hilfsmittel zur Generierung des besagten demodulierten FM-Signals (v₁₃) eine Phasenregelschleifenschaltung (117) beinhaltet.