FI105610B - FM-demodulaattori - Google Patents

Description

105610 FM-demodulaattori

Keksintö liittyy taajuusmoduloidun (FM) signaalin demodulointi-menetelmiin ja'demodulaattoreihin.

5 Taajuusmodulaatio (FM) on laajasti käytössä analogisissa tietolii kennejärjestelmissä, joihin kuuluvat kaikki suurimmat analogiset solukkojärjestelmät sekä FM-haku. FM-demodulaattorin tehtävänä on muuttaa vastaanotetun korkeataajuisen signaalin FM-modulaatio, ts. taajuusdeviaatio, alemman taajuuden omaavaksi analogiseksi jännitesignaaliksi. Matkaviestinjärjes-10 telmäteknologiassa kilpailu, joka liittyy pienempään kokoon ja merkittävään kustannusten pudotukseen matkaviestintilaajalaitteiden suunnittelussa, vaatii yhä enemmän piiri-integraatiota päätelaitteiden toteutuksessa. Asennettujen komponenttien määrä tulisi myös minimoida massatuotantoympäristössä. FM-vastaanottimissa on tyypillisesti käytössä kolme hyvin tunnettua FM-demodu-15 laattoria, nämä ovat kvadratuuri-ilmaisin, vaihelukittuun silmukkaan (PLL) pe- . rustuva ilmaisin ja nollaylitys (zero-crossing)-ilmaisin.

Vaihesiirtodiskriminaattoria, joka tunnetaan myös kvadratuuri-ilmaisimena, on käytössä monissa perinteisissä langattomissa FM-vastaan- . ottimissa. Yksinkertainen piiri ja hyvin tunnettu toiminta ovat pitkään olleet il-20 maisimen tärkein etu. Ilmaisimen peruslohkokaavio on esitetty kuviossa 1. Taajuusmoduloitu signaali rajoitetaan rajoitinpiirillä 1 ja suodatetaan kaistan-päästösuodattimella (BPF) 2. Kaistanpäästösuodatettu signaali syötetään kertojan 3 yhteen sisääntuloon ja 90-asteen vaiheensiirtopiiriHe 4. Vaiheen-siirtopiirin 4 ulostulo on kytketty kertojan 3 toiseen sisääntuloon. Kertojalta 3 25 saatava kertolaskutulos syötetään alipäästösuodattimelle (LPF) 5, joka antaa ulostulona demoduloidun signaalin. Integroinnin kannalta rajoitinpiiri 1 ja kertoja 3 (kertolaskutoiminto) voidaan integroida yhteen integroituun piiriin (IC). IF-kaistanpäästösuodatin ei ole toteutettavissa IC-prosessissa. 90-asteen vai-heensiirtopiirin 4 on oltava hyvin tarkka, mikä saavutetaan käyttämällä kahta 30 ulkopuolista komponenttia: kidettä ja kondensaattoria. Diskreetti vaiheensiirto-piiri on suhteellisen suuri ja kallis verrattuna täysin integroituun ratkaisuun.

Toinen FM-demodulaattoripiiri on esitetty kuviossa 2. Vastaanotettu Fm-demoduloitu signaali rajoitetaan rajoittimella 21 ennalta määrättyjen signaalitasojen väliin ja suodatetaan kaistanpäästösuodattimella 22. Takaisin-35 kytketty seurantapiiri 23 perustuu vaihelukitun silmukan (PLL) periaatteeseen. Jänniteohjattu oskillaattori (VCO) 230 synnyttää signaalin, jolla on taajuus f1 ja 2 105610 joka syötetään vaiheilmaisimelle 231. Vaiheilmaisimen 231 toiseen sisääntuloon syötetään kaistanpäästösuodattimen 22 ulostulosignaali, jolla on kantoaaltotaajuus fc. Vaiheilmaisimen ulostulo syötetään silmukkasuodattimelle (F(s)) 232. Suodattimen 232 ulostulo takaisinkytketään ohjaamaan VCO:n 231 5 taajuutta. PLL säätää automaattisesti VCO:n 231 ulostulotaajuutta f 1, niin että se on yhtä suuri kuin kantoaaltotaajuus fc, ts. PLL lukittuu kantoaaltotaajuuteen fc. Lukitustilassa demoduloitu matalataajuinen signaali esiintyy silmukka-suodattimen 232 ulostulossa ja voidaan suodattaa alipäästösuodattimena 24. PLL-demodulaattoriperiaate on sopiva olemaan täysin integroitu vaikkakin sil-10 mukkasuodattimen 232 toteutus voi olla vaikea. PLL-lähetysmistapa FM-ilmaisu on hyvin houkutteleva, koska PLL kykenee laajennettuun FM-kynnys-arvotoimintaan. Tämä on ensisijainen syy siihen, miksi PLLnlmaisimia käytetään laajasti FM-yleislähetyssignaalien vastaanotossa.

PLL-lähestymistapaan perustuvalla FM-demodulaattorilla on kui-15 tenkin yksi suuri epäkohta langattomassa tietoliikennejärjestelmässä. Kun esiintyy häiriötä ja/tai radiokanavan häipymistä, perustyyppisen PLL-demodulaattorin toiminta ei ole tyydyttävä. Kantoaalto halutulta tukiasemalta voi olla väliaikaisesti heikompi kuin häiritsevä kantoaalto toiselta tukiasemalta, joka käyttää samaa kanavaa. Tällaisessa tapauksessa PLL-demodulaattori 20 lukittuu häiritsevään signaaliin ja pysyy lukittuna häiritsevään signaaliin, jopa silloin kun haluttu signaali tulee jälleen voimakkaammaksi. PLLillä on se luontainen piirre, että on olemassa tietty kynnystaso, jolla PLL voi pysyä lukkiutuneena heikompaan signaaliin, vaikka voimakkaampi signaali esiintyisi samaan aikaan. Kuitenkin eräs solukkojärjestelmien vaatimuksista on, että tietyllä radi-. 25 okanavalla esiintyvää voimakkainta signaalia pidetään normaalisti haluttuna signaalina, joka demoduloidaan. PLL-demodulaattori vaatisi jonkin erityispii-ristön kontrolloimaan lukituskynnystasoa. Tämä vaikuttaisi silmukkasuodatti-men valintaan ja mahdollisesti heikentäisi muita PLL-demodulaattorin parametreja, kuten herkkyyttä.

. 30 Parhaiten integroitava ja myös hyvin tunnettu FM-demodulaattori- piiri on noflaylitysilmaisin (zero-crossing). Zero-crossing-ilmaisimen perusloh-kokaavio on esitetty kuviossa 3. Vastaanotettu FM-signaali syötetään kaistanpäästösuodattimen 31 ja rajoittimen 32 kautta monostabiilille multivibraattoripii-rille 33, joka toimii vastaanotetun signaalin nollaylityskohdissa. Kaistanpäästö-35 suodattimen 31 sisääntulosignaali Xc(t) ja rajoittimen 32 ulostulosignaali XL(t) on esitetty kuvioissa 4A ja 4B. Multivibraattori 33 Hipaistaan signaalin XL (t) jo- 3 105610 kaisessa negatiiviselta positiiviselle puolelle tapahtuvassa nollaylityksessä, ts. signaalin XL (t) jokaisen nousevan reunan kohdalla (tai vaihtoehtoisesti signaalin XL (t) jokaisen laskevan reunan kohdalla). Tämän tuloksena multivib-raattori 33 tuottaa ennalta määrätyn vakiokestoajan omaavan pulssin signaalin 5 XL (t) jokaisen nollaylityksen kohdalla, kuten on havainnollistettu pulssisignaa-lilla YM (t) kuviossa 4C. Näiden pulssien taajuus signaalissa YM (t) on kääntäen verrannollinen signaalin Xc (t) kantoaaltotaajuuteen ja täten demoduloitu analoginen jännitesignaali Yd (t) voidaan saada keskiarvoistamalla signaali YM (t) keskiarvoistamispiirillä 34, kuten kuviossa on esitetty 10 Tässä tekniikan tason mukaisessa nollaylitys-FM-demodulaat- torissa on kuitenkin useita epäkohtia. Demoduloidun signaalin Yd (t) tasavirta-osa (DC) on suuri verrattuna signaalin vaihtovirtaosaan (AC). Tämän vuoksi demodulaattori tarvitsee täydellisen DC-eston keskiarvostuspiirissä 34, jotta mahdollistettaisiin demoduloidun signaalin Yd (t) myöhempi vahvistaminen. 15 Ilmeinen ja helppo tapa aikaansaada DC-signaalin esto on käyttää suurta ulkopuolista erotuskondensaattoria, mutta tämä tekee demodulaattorin täyden integroinnin mahdottomaksi.

Tämän vuoksi tarvitaan uusi demodulointimenetelmä ja demodu-laattori, joissa yllä mainittuja ongelmia voidaan lievittää tai voittaa.

20 Keksinnön eräs piirre on menetelmä taajuusmoduloidun (FM) sig naalin, jolla on nimellinen kantoaallon keskitaajuus fc, demoduloimiseksi, menetelmän käsittäessä vaiheina nimellisen kantoaallon keskitaajuuden jakson 1/fc ja mainitun FM-signaalin hetkellisen jakson välisen eron määrittämisen, ja mainittuun eroon verrannollisen ulostulosignaalin tuottamisen demoduloituna 25 signaalina.

Esillä olevan keksinnön toinen piirre on taajuusmoduloidun (FM) signaalin demodulaattori, joka käsittää välineet nimellisen kantoaallon keskitaajuuden jakson 1/fc ja mainitun FM-signaalin hetkellisen jakson välisen eron määrittämiseksi ja välineet mainittuun eroon verrannollisen ulostulosignaalin 30 tuottamiseksi demoduloituna signaalina.

Esillä oleva keksintö perustuu ajatukseen, että kantoaallon nimellisen keskitaajuuden jakson ja taajuusmoduloidun signaalin hetkellisen jakson välistä eroa voidaan käyttää hyvänä approksimaationa vastaanotetun FM-signaalin hetkelliselle deviaatiolle, erityisesti kun modulaatio (deviaatio) on ka-35 pea. Tämän vuoksi, esillä olevan keksinnön mukaisesti, määritetään kantoaallon nimellisen keskitaajuuden jakson ja FM-signaalin hetkellisen jakson vä- 4 105610 linen ero ja tuotetaan tähän eroon verrannollinen ulostulosignaali demoduloituna signaalina.

Keksinnön mukainen uusi demodulointimenetelmä voidaan, toteuttaa erilaisilla piireillä, jotka mittaavat signaalin nimelliset ja hetkelliset jak-5 sot ja/tai niiden välisen eron. Keksinnön mukaisessa nollaylitys-FM-demodu-laattorissa tuotetaan ulostulojännite, joka on verrannollinen vastaanotetun signaalin hetkellisen jakson eroon kantoaallon nimellisen keskitaajuuden jaksosta. Tämän seurauksena demodulaattorissa ei ole suuria tasavirtatasoja verrattuna tekniikan tason mukaiseen nollaylitysdemodulaattoripiiriin. Täten kek-10 sinnön mukainen FM-demodulaattori voidaan täysin valmistaa integroidulla puolijohdeprosessilla.

Esillä olevan keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa radiotaajuinen (RF) FM-signaali muutetaan ensin moduloidulle välitaajuudelle (IF) signaalisekoituksella. Modulaatioinformaatio säilytetään IF-signaalitaajuuden/-15 jakson vaihteluna tässä sekoitusprosessissa. Alasmuuntamisen etuna on, että keksinnön mukaisen signaalidemodulaation toteuttaminen on helpompaa alemmalla taajuudella. Itse asiassa keksintö sopii integroitavaksi vastaanottimen kantataajuisessa signaalinkäsittelypiirissä, kun se toteutetaan IF-taajuus-alueella. IF-toteutuksessa saatetaan tarvita yksi ulkopuolinen komponentti ta-20 savirtaerotuskondensaattorin muodossa. Tämä tasavirtaerotuskondensaattori erottaa ulkopuolisen IF-vahvistimen ja integroidun demodulaattoripiirin väliset DC-tasot.

Seuraavassa keksintö kuvataan ensisijaisten suoritusmuotojen avulla viitaten oheisiin piirroksiin, joissa • 25 kuvio 1 on tekniikan taso kvadratuuri-FM-demodulaattorin lohko- kaavio, kuvio 2 on tekniikan tason mukaisen vaihelukitun FM-demodu-laattorin lohkokaavio, kuvio 3 on tekniikan tason mukaisen nollaylityksen ilmaiseva FM-30 demodulaattorin lohkokaavio, kuviot 4A, 4B, 4C ja 4D ovat signaalikaavioita, jotka havainnollistavat kuvion 3 FM-demodulaattorin toimintaperiaatetta, kuvio 5 on lohkokaavio, joka havainnollistaa esillä olevan keksinnön mukaista FM-demodulaattoria, 5 105610 kuviot 6A, 6B, 6C ja 6D ovat signaalikaavioita, jotka esittävät FM-demodulaattorin signaalin aaltomuotoja, kun se toimii esillä olevan keksinnön ensimmäisen suoritusmuodon mukaisesti, kuvio 7 on lohko- ja kytkentäkaavio, joka havainnollistaa kuvion 5 5 näytteenottopiiriä, joka on keksinnön toisen suoritusmuodon mukainen, kuviot 8A, 8B, 8C ja 8D ovat signaalikaavioita, jotka havainnollistavat kuvion 7 näytteenottopiirin signaaliaaltomuotoja, kuvio 9 on lohkokaavio, joka esittää keksinnön kolmannen suoritusmuodon mukaista pipeline-tyyppistä täyden nopeuden näytteenottopiiriä.

10 Keksinnön ensisijaisten suoritusmuotojen mukaisesti radiotaajui nen (RF) taajuusmoduloitu (FM) signaali (joka on vastaanotettu esimerkiksi radiotien yli) muutetaan ensin välitaajuiseksi (IF) signaaliksi sekoituksen avulla. Esillä olevan keksinnön mukaisen signaalidemodulaation implementointi on järkevämpi alemmalla taajuudella. FM-modulaatioinformaatio säilytetään 15 alasmuuttavassa sekoitusprosessissa IF-signaalitaajuuden tai -jakson vaihteluna. Pitäisi kuitenkin ymmärtää, että tämä FM-demodulaatioperiaate on sopiva myös RF-signaalille, tai yleisemmin, minkä tahansa taajuuden omaavalle signaalille.

IF-signaalin FM-demodulaatio on mahdollinen piiristöllä, joka mit-20 taa sisääntulevan IF-signaalin jakson. Esillä olevan keksinnön periaatteiden mukaisesti eroa, joka on sisääntulevan IF-signaalin hetkellisen jakson (Tj) ja kantoaallon nimellisen keskitaajuuden fc jakson välillä, voidaan käyttää hyvänä approksimaationa vastaanotetun kantoaaltosignaalin hetkelliselle deviaatiolle, erityisesti kun modulaatio on kapea, kuten 1% kantoaallosta. Ero voidaan • 25 merkitä Δ t = T,-1/fc).

Seuraavassa selitetään keksinnön teoreettinen perusta. Kuten alalla hyvin tiedetään, taajuusmoduloitujen signaalien tapauksessa kantoaallon taajuus on verrannollinen moduloivan signaalin amplitudiin. Tarkastellaanpa esimerkiksi äänimoduloitua FM-signaalia. Moduloivalla signaalilla fd m (t) 30 moduloidun kantoaallon fc hetkellinen taajuus fj(t) on · %

Yleisemmässä tapauksessa voimme kirjoittaa mille tahansa mieli- 35 valtaiselle moduloivalle signaalille Af (t) 6 105610 /,(0 = /,+^(0 hetkelliselle kantoaaltotaajuudelle f, (t) ja m = 7JW) hetkelliselle jaksolle 1" (t). Symboli Af edustaa moduloidun signaalin sitä osuutta, joka sisältää modulaatioinformaation. Kantoaallon hetkellisen jakson keskiarvon voidaan olettaa olevan 10

'm’T

Diskriminaatiofunktio vaatii, että FM-demodulaattorin ulostulo riippuu lineaarisesti termistä Af. Vähentämällä tämä keskiarvo hetkellisestä jak- 15 sosta saamme - 1 1 T-T =-- — ' ' Λ + Δ/ Λ = "Δ/ Λ2+Λ·δ/ 20 : jos fcc » Af, FM-demodulaatio (taajuusdiskriminaatio) voidaan approksimoida yhtälöllä — -Af T.-T^AT^-jf 25 : Tämä approksimaatio on pätevä, kun toinen termi nimittäjässä on paljon pienempi kuin ensimmäinen termi, ja osoittaa, että FM-diskriminaatio on mahdollinen piirillä, joka tuottaa ulostulojännitteen, joka on verrannollinen * kantoaallon hetkellisen jakson ja kantoaallon nimellisen keskitaajuuden jakson 30 väliseen eroon. Tällainen piiri tuottaa ulostulojännitteen 7 105610 -Δ/

V0=AT-Kr*—f-KT

J c KT on ilmaisuvakio, joka on esitetty muodossa jännite/sekunti. Lineaarinen approksimaatio ei ole täydellinen ja täten demoduloitu signaali vää-5 ristyy. Vääristymää aiheuttaa pääasiallisesti ensimmäisen harmonisen termin kasvaminen.

Esillä olevan keksinnön mukaisen demodulaattorin yksinkertaistettu lohkokaavio on esitetty kuviossa 5. Ensiksi FM-moduloitu RF-signaali muunnetaan alas välitaajuiseksi FM-signaaliksi Xc(t) sekoittimella. Signaalin 10 Xc(t) aaltomuoto on havainnollistettu kuviossa 6A. Signaali Xc(t) syötetään kaistanpäästösuodattimen 50 kautta rajoittimelle 51. Rajoittimen 51 ulostulo IF muuttaa tilaansa signaalin Xc(t) jokaisen negatiivisen ja positiivisen nollan ylityksen kohdalla ja tuottaa pulssisignaalin, jossa hetkellinen jakso on yhtä suuri kuin signaalin Xc(t) hetkellinen jakso, kuten on esitetty kuviossa 6B. Tämä 15 suodatus- ja rajoitusoperaatio rajoittaa vastaanotetun kohinakaistan ja vaimentaa amplitudimodulaatiota. Kaistanpäästösuodatin 50 ja rajoitin 51 eivät kuitenkaan ole välttämättömiä keksinnön mukaiselle FM-demodulaation perusmenetelmälle, vaikka ne onkin esitetty ensisijaisessa suoritusmuodossa. Yleensä signaali IF kuviossa 5 voi olla mikä tahansa signaali, joka sisältää 20 ' taajuusmodulaatiota.

Kuviossa 5 Fm-demodulaattorin ydin on nollanylitysilmaisin 53. Tämä uusi nollanylitysilmaisin 53 koostuu varauksennäyttäytyspiiristä 54, va-raus-jännitemuuntimesta 56 ja DC-poistavasta takaisinkytkentäsilmukasta, jonka muodostavat DC-keskiarvoistamispiiri 57 ja summauspiiri 55.

25 Keksinnön ensimmäisessä suoritusmuodossa varausnäytteenot- topiiri 54 synnyttää yhden varausnäytteen (pulssin) kutakin signaalin Xc (t) jaksoa kohti. Varausnäytepulssi synnytetään vähentämällä vakioaikajakso (TK) sisääntulevan signaalin X,(t) hetkellisestä jaksosta (T;), jolloin kunkin varaus-näytepulssin Qn pituus tulee olemaan verrannollinen aikaeroon At = T, -TK, ts. 30 QN = K (T( - TK), missä K on ilmaisuvakio muodossa Coulombia sekunnissa. Valitsemalla aika TK olemaan yhtä suuri kuin kantoaaltojakson (1/fc) keskiarvo, synnytetään nollapulssi, kun Tj, = TK, synnytetään positiivinen pulssi, kun T, > TK, ja synnytetään negatiivinen pulssi, kun T> < TK. Kuten ylä todettiin, pulssien pituudet ovat verrannollisia aikaeroon At. Negatiivisten ja positiivisten varaus-35 näytteiden (pulssien) vuoksi signaalin DC-komponentti tulee olemaan pieni.

105610 8

Tuloksena saatavaa signaalia Qn näytteenottopiirin 54 ulostulossa on havainnollistettu kuviossa 6C.

Näytteenottopiirin 54 ulostulosignaali Qn muutetaan sitten analogisesti ulostulojännitteeksi Yd (t) muuntimella 56, kuten kytkettyihin kondensaat-5 toreihin (switched capacitor, SC) perustuvalla vahvistimella, jolla on alipäästö-tyyppinen taajuusvaste.

Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa takaisinkytketty DC-varausnäyte QDCerr summataan kuhunkin varausnäytteeseen (pulssiin) Qn summaimella 55. DC-keskiarvoistamispiiri 57 suorittaa integroinnin siten, että 10 integrointiaikavakio vastaa hyvin alhaista taajuutta, joka on oleellisesti kantataajuisen ulostulosignaalin Yd(t) halutun taajuuskaistan alapuolella. Kaikki DC-offset, jonka kantoaallon keskitaajuuden offset, piirin epäideaalisuudet ja vastaanotettu matalataajuinen kohina aiheuttavat, poistetaan takaisinkytkentäope-raatiolla.

15 Esillä olevan toisen suoritusmuodon mukainen näytteenottopiiri on esitetty kuviossa 7. Näytteenottopiiri 54 käsittää pulssinleveysmodulaattorin PWM (71), joka muuntaa sisääntulevan FM-moduloidun IF-signäalin kahdeksi pulssisignaaliksi P1 ja P2, ja virtakytkinpiirin, jota ohjataan signaaleilla P1 ja P2. Tämän suoritusmuodon pääasiallinen etu on, että se sallii molempia na-20 .paisuuksia omaavien varausnäytteiden Qn synnyttämisen, kuten on havainnollistettu signaalilla Qnkuviossa 6C.

Aluksi tullaan modulaattorin 71 toiminta kuvaamaan viitaten kuvioihin 8A, 8B ja 8C. Modulaattori 71 muuttaa ensimmäisen pulssisignaalin P1 tilaa loogisesta ”alhaalla"-tilasta loogiseen "ylhäällä”-tilaan nousevan (tai las-25 kevan) reunan kohdalla signaalin IF hetkellisen jakson alkaessa. P1:n looginen tila säilytetään ylhäällä kunnes ennalta määrätty viive T0 on kulunut, ts. synnytetään pulssi, jonka kestoaika on T0. Sitten signaali P1 pidetään loogisessa alatilassa kunnes toinen ennalta määrätty viive T, on kulunut. Tässä pisteessä sekä signaalin P1 että signaalin P2 loogiset tilat (jotka ovat olleet 30 tähän asti loogisessa alatilassa signaalin IF hetkellisen jakson alusta saakka) muutetaan ylätilaan. Signaali P1 pitää yllä tilan signaalin IF loppuun saakka, kun taas signaali P2 pidetään ylätilassa kunnes kolmas ennalta määrätty viive T2 on kulunut, ts. synnytetään signaalissa P2 pulssi, jonka kestoaika on T2 . Viiveajat T, ja T2 valitaan siten, että molemmat signaalit P1 ja P2 ovat ylätilas-35 sa identtisen ajan yhden IF-signaalijakson aikana, kun signaalin IF hetkellinen taajuus on yhtä suuri kuin nimellinen keskitaajuus fc. Tämä kriteeri täyttyy välit- 9 105610 semalla viiveajat, jotka täyttävät yhtälön T2 = 1/fc - Tv Taajuusmodulaatio esitetään eron avulla, joka on sen ajan TP1, jonka P1 on ylätilassa, ja sen ajan TP2, jonka signaali P2 on ylätilassa, välillä, ts. At = TP2 - TP1. Viiveajan T2 arvo määrää aikaeron At mittauksen dynaamisen alueen. Jos signaalin IF hetkelli-5 nen taajuus on suurempi kuin nimellinen keskitaajuus fc, kuten kuvioissa 8A-8D esitetyssä esimerkissä, IF-signaalin hetkellinen jakso On pieni verrattuna nimellisen keskitaajuuden fc jaksoon Tc (moduloimattoman signaalin jakso), ja signaali P2 on ylätilassa pidemmän ajan kuin signaali P1 IF-signaalin yhden jakson aikana, ts. signaalilla P2 on pidempi pulssinleveys kuin signaalilla P1. 10 Samalla tavoin, jos signaalin IF hetkellinen taajuus on alhaisempi kuin keskitaajuus fc, signaalin P2 pulssinleveys on lyhyempi kuin signaalin P1 pulssinleveys. Jos signaalin IF hetkellinen taajuus on yhtä suuri kuin fc, signaalin P2 pulssinleveys on yhtä suuri kuin signaalin P1 pulssinleveys. Pitäisi ymmärtää, että signaalien IF, P1 ja P2 napaisuus voi tarvittaessa poiketa siitä, mikä on 15 esitetty kuvioissa 8A-8C.

Signaaleihin P1 ja P2 sisältyvä erikoinen pulssinleveysmodulaatio (PWM) muunnetaan sitten analogiseksi ulostulojännitteeksi Vn virtakytkinpiirillä 700. Tarkemmin sanottuna signaaleja P1 ja P2 käytetään ohjaussignaaleina vastakkaisen napaisuuden omaaville virtakytkimille S1 ja S2, jotka järjestetään 20 . varaamaan pitokondensaattori CH signaalin IF yhden jakson aikana. Kun signaali P, on ylhäällä, kytkin S1 on suljettu ja kondensaattori CH puretaan refe-renssivirralla lref. Tästä on seurauksena kondensaattorin CH yliolevan jännitteen V CH) pieneneminen, kuten on havainnollistettu kuviossa 8D signaalin P1 ensimmäisen pulssin aikana esiintyvällä jännitepudötuksella. Kun molemmat • 25 signaalit P1 ja P2 ovat alatilassa, kondensaattoria CH ei varata eikä pureta ja jännite V (CH) on muuttumaton, kuten on havainnollistettu viiveen T, aikana kuviossa 8D. Kun signaali P2 on ylätilassa, kytkin S2 on suljettu ja referenssi-virta lref, joka synnytetään virtalähteellä 72, varaa kondensaattoria CH. Kun molemmat signaalit P, ja P2 ovat ylätilassa, niiden varaus- ja purkuoperaatiot 30 kumoavat toisensa ja ulostulojännite V (CH) pidetään oleellisesti muuttumattomana. Signaalit P1 ja P2 ovat enemmän aikaa samanaikaisesti ylätilassa. Tämä on erityisen totta, kun T0 valitaan niin, että ehto T0 « T2 täyttyy. Jännite-heilahdus ulostulossa minimoidaan ja niin virtakytkinten S1 ja S2 dynaamista toiminta-aluetta koskeva vaatimus minimoidaan. Yllä kuvatun varaus- ja pur-35 kuoperaation seurauksena ulostulojännite on Vn = Qn/CH, missä Qn = (TP2 - Tp1) lref· 10 105610 Jännite V(CH) voi ryömiä ajan mukana, kun molemmat signaalit P1 ja P2 ovat ylätilassa, jos virtalähteiden 71 ja 73 referenssivirrat eivät ole täydellisesti samanlaiset. Tämä tuo DC-offsetin näytteeseen. Ei myöskään ole mahdollista valita viiveitä T, ja T2 niin, että yhtälö T2 = Tc - ΤΛ täyttyy täydelli-5 sesti. Tämä johtuu siitä tosiasiasta, että kantoaallon keskitaajuus voi vaihdella ja että voi esiintyä hieman epäsymmetrisyyttä, jonka aiheuttavat sisäiset viiveet piirissä 71, joka synnyttää P1- ja P2-pulssit. Tämä voi aiheuttaa lisää DC-offsetia ulostulojännitteeseen. Tämä DC-offset kuitenkin poistetaan yllä kuvatulla negatiivisella integroivalla takaisinkytkennällä.

10 Esillä olevan keksinnön eräässä suoritusmuodossa referenssivir rat lref synnytetään virtakytkimille S1 ja S2 siten, että referenssivirta lref on verrannollinen vertailukondensaattorin arvoon CR. Koska jännitenäyte pitokon-densaattorissa CH on kääntäen verrannollinen sen kapasitanssiin ja verrannollinen referenssivirtaan lret, pitokondensaattorin CH yli oleva jännite V (CH) on 15 riippuvainen suhteellisesta komponenttien sovituksesta kondensaattorien CH ja . CR välillä eikä niiden absoluuttisista komponenttiarvoista. Verrannollinen virta kondensaattoria CR varten synnytetään takaisinkytkennällä ohjatulla oskillaat-toripiirillä. Oskillaattoripiiri varaa vertailukondensaattorin CR referenssijännit- . teeseen Vref integroidussa piinsirussa. Takaisinkytkentä pakottaa vertailuvirran 20 sellaiseen arvoon, että kondensaattorin CR yli oleva jännite saavuttaa jännitteen Vref referenssiajan Tref. Jännitteen Vref ja ajan Tref toleranssit voidaan minimoida. Tällä järjestelyllä demoduloitu ulostulojännite on hyvin kontrolloitu ja demodulaattorin muunnosvahvistus (ilmaisuvakio K) voidaan valita tietyllä vapausasteella. Jos ilmaisuvakion annetaan vaihdella, virtareferenssi voidaan : 25 synnyttää muilla tavoin.

Kuten yllä kuvattiin, esillä olevan keksinnön mukaisen aikamittauksen toteutuksesta seuraa näytteytetty datajärjestelmä. Signaalin IF jokainen jakso "mitataan” aluksi pitokondensaattorin CH varaamisen/purkamisen avulla ja sitten otetaan jännitenäyte myöhemmällä muuntimella 56 (kuvio 5), kuten 30 yllä kuvattiin. Näytteenotto aiheuttaa vaihekohinan laskostumisilmiöitä, jotka ovat erityisen vakavia FM-järjestelmässä, jos näytteenottotaajuus on alempi kuin mitattu IF-taajuus. Esillä olevan keksinnön kolmannen suoritusmuodon mukaisesti käytetään kaksivaiheista pipeline-tyyppistä näytteenottoa, jotta vältettäisiin yllä oleva ongelma. Näytteenottopiirin pipeline-toiminta mahdollis-35 taa IF-signaalin täyden nopeuden näytteenoton ja tällä tavoin estää ylimääräisen vaihekohinan laskostumisen. Esimerkki täyden nopeuden pipeline- „ 105610 tyyppisestä varausnäytteenottopiiristä on esitetty kuviossa 9. Näytteenottopiiri käsittää kaksi virtakytkintä 700, ja 7002, jotka ovat samanlaisia kuin virtakyt-kinpiiri 700, joka esitettiin kuviossa 7. Virtakytkinpiiriä 700, ohjataan signaaleilla P,, ja P2„ jotka saadaan modulaattorilta 91. Samalla tavoin virtakytkinpii-5 riä 7002 ohjataan signaaleilla P,2 ja P22, jotka saadaan modulaattorilta 91. Signaalit P,, ja P2, ovat samanlaisia kuin signaali P,, ja signaalit P2, ja P22 ovat samanlaisia ku in signaali P2, joka kuvattiin kuvioiden 7 ja 8 yhteydessä. Signaalit P1 ja P2 kaksinkertaistetaan lukumäärältään siten, että operaation ensimmäisessä vaiheessa (jota kutsutaan tässä parilliseksi vaiheeksi) signaalin 10 IF hetkellisen jakson deviaatiosta otetaan näytteitä virtakytkinpiirillä 700,, kun taas signaalin IF edellisestä jaksosta otettu näyte pidetään virtakytkimessä 7002 ja kerätään ulostulojännitteeksi Vn. Operaation parillisessa vaiheessa virtakytkimen 7002 ulostulo kytketään näytteenottopiirin ulostuloon suljetun kytkimen S4 kautta, kun taas virtakytkinpiirin 700, ulostulo kytketään irti näyt-15 teenottopiirin ulostulosta avoimella kytkimellä S3, kuten on esitetty kuviossa 9. Kytkimiä S3 ja S4 kontrolloidaan signaalilla SELECT, joka saadaan PWM-modulaattorilta 91. Operaation toisessa vaiheessa (jota kutsutaan tässä parittomaksi vaiheeksi) signaalin IF hetkellinen jakso näytteytetään virtakytkinpiirillä 7002, samalla kun virtakytkinpiiri 700, pitää edellistä näytettä, joka siirretään 20 ulostulojännitteeseen Vn (kytkin S3 on suljettu, kytkin S4 on avoin).

Signaalien P1 ja P2 synnyttämisellä on rajoitettu dynaaminen alue. Tämä johtuu siitä tosiasiasta, että signaalin P1 toisen pulssin minimipuls-sin pituus on nolla ja pulssin maksimipituuden täytyy olla rajoitettu signaalin P2 pulssin loppuun. Täten P2-pulssin pituus T2 ohjaa ilmaisun dynaamista aluetta : 25 ja asettaa maksimideviaation, joka voidaan ilmaista. Keksinnön neljännen suo ritusmuodon mukaisesti signaalien P1 ja P2 synnyttämiseen tuodaan mukaan ylivuodon ilmaisu, jotta voidaan jättää huomiotta virtakytkinpiiriltä 700 tulevat hylätyt näytteet, jos vastaanotetun signaalin deviaatio ylittää signaalin P1 dynaamisen alueen. Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa tämä ylivuodon 30 ilmaisu on yhdistetty kaksivaiheiseen näytteenottoperiaatteeseen, joka kuvattiin yllä kuvion 9 yhteydessä. Modulaattori 91 tarkkailee toisen nousevan reunan alkamista (ts. uuden IF-jakson alkamista). Kun signaalin IF toinen nouseva reuna ilmaistaan ennen viiveen T2 alkua tai sen jälkeen kun viive T2 on ku lunut (kuviot 8A-8D), modulaattori 91 määrittää, että deviaatio ylittää signaalin 35 P1 dynaamisen alueen. Ilmaistuaan ylivuodon modulaattori 91 ohjaa vastaavaa .virtakytkinpiiriä 700, tai 7002 purkamaan pitokondensaattorin CH maahan, 12 105610 kun kytkin on kytketty kondensaattorista CH signaalimaahan. Koska virtakyt-kinpiirin ulostulo ei ole tässä tapauksessa pätevä, sitä ei näytteytetä muunti-melle 56 vaan viimeisin pätevä näyte yhdestä aikaisemmasta jaksosta pidetään muuntimen sisääntulossa. Tämä järjestely varmistaa näytteenottopiirin 5 turvallisen toiminnan. Lisäetuna on se, että vastaanotto kohinaisessa tai häirityssä signaalivastaanotossa on herkempää, kun ’’piikkimäinen” kohina jätetään huomiotta (hylätään) tämän ylivuotoilmaisun avulla.

Vaikka edellä on esitetty tietyt ensisijaiset suoritusmuodot, on ymmärrettävä, että niissä voidaan tehdä monia muutoksia ja muunnelmia il-10 man että poiketaan oheisten patenttivaatimusten suojapiiristä.

9

Claims (16)

1. Menetelmä taajuusmoduloidun (FM) signaalin demoduloimi-seksi, jolla signaalilla on nimellinen kantoaallon keskitaajuus fs, t u n n e 11 u 5 siitä, että mainittu menetelmä käsittää vaiheet määritetään kantoaallon nimellisen keskitaajuuden jakson 1/fc ja mainitun FM-signaalin hetkellisen jakson välinen ero, muodostetaan demoduloituna signaalina ulostulosignaali, joka on verrannollinen mainittuun eroon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu sii tä, että mainittu määrittämisvaihe käsittää lisävaiheet rajoitetaan mainittu FM-signaali signaaliksi, jolla on suorakulmainen aaltomuoto, tuotetaan pulssi, jolla on ensimmäinen napaisuus, joka kerta, kun 15 hetkellinen jakso on pidempi kuin nimellisen kantoaaltotaajuuden mainittu jakso, jolloin mainitun pulssin kestoaika on verrannollinen mainittuun eroon, tuotetaan pulssi, jolla on toinen napaisuus, joka kerta, kun hetkellinen jakso on lyhyempi kuin mainitun nimellisen kantoaaltotaajuuden mainittu jakso, jolloin mainitun pulssin kestoaika on verrannollinen mainittuun eroon,' 20 muunnetaan tuloksena saatava pulssijono mainituksi demoduloi duksi signaaliksi.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu muuntovaihe käsittää vaiheet käytetään mainittua pulssisignaalia pitokondensaattorin varaami-: 25 seen ja purkamiseen referenssivirralla, niin että tuotetaan mainittua eroa edustava varausnäyte, muunnetaan pitokondensaattorissa oleva varausnäyte analogiseksi jännitesignaaliksi, joka palvelee mainittuna demoduloituna signaalina.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu sii-30 tä, että mainitut määrittämis- ja tuottamisvaiheet käsittävät vaiheina rajoitetaan mainittu FM-signaali signaaliksi, jolla on suorakulmainen aaltomuoto, tuotetaan ensimmäinen pulssisignaali seuraavasti i) asetetaan ensimmäinen pulssisignaali ensimmäiseen tilaan en-35 simmäisen viivejakson TO ajaksi mainitun hetkellisen jakson alussa, 14 105610 ii) uudelleenasetetaan mainittu pulssisignaali toiseen tilaan toisen viivejakson T1 ajaksi sen jälkeen kun mainittu viivejakso TO on kulunut, iii) asetetaan ensimmäinen pulssisignaali mainittuun ensimmäiseen tilaan sen jälkeen kun mainittu toinen viivejakso T1 on kulunut, 5 iv) uudelleenasetetaan ensimmäinen pulssisignaali mainittuun toi seen tilaan mainitun hetkellisen jakson lopussa, tuotetaan toinen pulssisignaali seuraavasti i) asetetaan toinen pulssisignaali ensimmäiseen tilaan kolmannen viivejakson T2 ajaksi sen jälkeen kun T1+T0 on kulunut mainitun hetkellisen 10 jakson alusta, missä T2 on suurinpiirtein yhtä suuri kuin 1/fc-T1, ii) uudelleenasetetaan toinen pulssisignaali toiseen tilaan sen jälkeen kun mainittu kolmas viivejakso T2 on kulunut, käytetään mainittuja ensimmäistä ja toista pulssisignaalia vastakkaisen napaisuuden omaavien virtakytkimien ohjaamiseksi, jotka purkavat pi-15 tokondensaattoria vertailuvirralla mainitun FM-signaalin yhden jakson aikana, niin että tuotetaan mainittua eroa edustava varausnäyte, muunnetaan pitokondensaattorissa oleva varausnäyte analogiseksi jännitesignaaliksi, joka palvelee mainittuna demoduloituna signaalina.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu sii-20 tä, että se käsittää lisävaiheet ilmaistaan mainitun hetkellisen jakson loppu ennen kolmannen viivejakson T2 alkua tai sen jälkeen kun kolmas viivejakso on kulunut, hylätään, vasteena mainitulle ilmaisulle, varausnäyte, joka saatiin vastaavassa hetkellisessä jaksossa, 25 käytetään viimeinen pätevä varausnäyte, joka saatiin edellisissä pätevissä hetkellisissä jaksoissa.

6. Patenttivaatimuksen 3, 4 tai 5 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että se käsittä vaiheen käytetään kahta tai useampaa pitokondensaattoria pipeline-30 tyyppisellä tavalla siten, että mainitun Fm-signaalin kunkin jakson aikana yksi pitokondensaattoreista ottaa uuden varausnäytteen samalla kun toinen mainituista pitokondensaattoreista pitää edellisen jakson varausnäytettä.

7. Patenttivaatimuksen 3, 4, 5 tai 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se käsittää lisävaiheet 35 tuotetaan takaisinkytketty varausnäyte mainitusta analogisesta jännitesignaalista integroivalla negatiivisella takaisinkytkentäpiirillä, jolla on is 105610 integrointiaikavakio, joka vastaa taajuutta, joka on oleellisesti alhaisempi kuin mainitun analogisen jännitesignaalin haluttu demoduloitu taajuuskaista, summataan mainittu takaisinkytketty varausnäyte pitokonden-saattorissa olevaan varaukseen.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu FM-signaali on välitaajuinen FM-signaali, joka on muunnettu alas radiotaajijisesta FM-signaalista.

9. Demodulaattori taajuusmoduloitua (FM) signaalia varten, tunnettu siitä, että se käsittää 10 välineet (54) mainitun FM-signaalin (IF) kantoaallon nimellisen keskitaajuuden jakson 1/fcja hetkellisen jakson välisen eron määrittämiseksi, välineet (55,56,57) sellaisen ulostulosignaalin (Yd(t)) tuottamiseksi demoduloituna signaalina, joka on verrannollinen mainittuun eroon.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen demodulaattori, tunnettu 15 siitä, että se käsittää rajoittimen (51), joka rajoittaa mainitun FM-signaalin signaaliksi, jolla on suorakulmainen aaltomuoto, pulssigeneraattorin (54), jolla on sisääntulo mainitun suorakulma-aaltosignaalin vastaanottamiseksi ja ainakin yksi ulostulo, ensimmäisen napai-20 suuden tai toisen napaisuuden omaavan pulssin synnyttämiseksi mainittuun ainakin yhteen ulostuloon joka kerta, kun hetkellinen jakso on pidempi tai vastaavasti lyhyempi kuin mainitun nimellisen kantoaaltotaajuuden jakso, jolloin mainitun pulssin kestoaika on verrannollinen mainittuun eroon, ja muunnin (56), joka muuntaa tuloksena saatavan pulssijonon mai-: 25 nituksi demoduloiduksi signaaliksi.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen demodulaattori, tunnet-t u siitä, että mainittu muunnin käsittää pitokondensaattorin (CH), jolloin mainittu pulssisignaali on järjestetty ohjaamaan mainitun pitokondensaattorin purkamista ja varaamista refe-30 renssivirralla, niin että tuotetaan varausnäyte, joka edustaa mainittua eroa, vahvistimen, joka muuntaa pitokondensaattorissa olevan varaus-näytteen analogiseksi jännitesignaaliksi, joka palvelee mainittuna demoduloituna signaalina.

12. Patenttivaatimuksen 9 mukainen demodulaattori, tunnettu 35 siitä, että se käsittää 16 105610 rajoittimen (51), joka rajoittaa mainitun FM-signaalin signaaliksi, jolla on suorakulmainen aaltomuoto, pulssigeneraattorin (71), jolla on ensimmäinen pulssisignaaliulos-tulo (P1) ja toinen pulssisignaaliulostulo (P2), 5 mainitun ensimmäisen pulssisignaaliulostulon (P1) omatessa i) ensimmäisen tilan ensimmäisen viivejakson TO ajan mainitun hetkellisen jakson alusta, ii) toisen tilan toisen viivejakson T1 ajan mainitun ensimmäisen viivejakson TO lopusta, iii) mainitun ensimmäisen tilan mainitun toisen viivejakson T1 lopusta mainitun hetkellisen jakson loppuun, 10 mainitun toisen pulssisignaaliulostulon (P2) omatessa mainitun ensimmäisen tilan kolmannen viivejakson T2 ajan mainitun viivejakson T1 lopun jälkeen ja omatessa muulloin mainitun ensimmäisen tilan, missä T2 on . suurinpiirtein yhtä suuri kuin 1 /fc-T 1, ainakin yhden pitokondensaattorin (CH), 15 vastakkaiset napaisuudet omaavat virtakytkimet (S1,S2), jotka va- raavat ja purkavat mainittua pitokondensaattoria (CH) referenssivirralla, mainittujen ensimmäisen ja toisen pulssisignaalin (P1.P2) ollessa järjestetty ohjaamaan mainittuja virtakytkimiä (S1.S2) niin, että tuotetaan va-rausnäyte, joka edustaa mainittua eroa mainitun FM-signaalin yhden jakson 20 aikana, muuntimen (56), joka muuntaa pitokondensaattorissa olevan va-rausnäytteen analogiseksi jännitesignaaliksi, joka palvelee mainittuna demoduloituna signaalina.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen demodulaattori, tunnet- ' 25 t u siitä, että se lisäksi käsittää ilmaisimen, joka ilmaisee mainitun hetkellisen jakson lopun, välineet, jotka ovat vasteelliset mainitulle ilmaisimelle sellaisen va-rausnäytteen hylkäämiseksi, joka on saatu vastaavassa hetkellisessä jaksossa vasteena mainitulle ilmaisulle ja viimeisen, edellisissä hetkellisissä jaksoissa 30 saadun pätevän varausnäytteen käyttämiseksi, kun mainitun hetkellisen jakson loppu on ennen kolmannen viivejakson T2 alkua tai sen jälkeen kun kolmas viivejakso on kulunut.

14. Patenttivaatimuksen 11, 12 tai 13 mukainen demodulaattori, tunnettu siitä, että se käsittää 35 ensimmäisen näytteenotto- ja pitopiirin (700,), jossa on pitokon- densaattori, joka on järjestetty tuottamaan varausnäyte mainitun FM-signaalin 17 105610 . jokaisessa parittomassa jaksossa ja pitämään varauksen mainitun FM-signaalin seuraavan parillisen jakson aikana, toisen näytteenotto- ja pitopiirin (7002), jossa on pitokondensaatto-ri, joka on järjestetty tuottamaan varausnäyte mainitun FM-signaalin jokaises-5 sa parillisessa jaksossa ja pitämään varaus mainitun FM-signaalin seuraavan parittoman jakson aikana, välineet (S3.S4) varausnäytteen kytkemiseksi muuntimelle ensimmäiseltä näytteenotto- ja pitopiiriltä (700J jokaisen parillisen jakson aikana ja toiselta näytteenotto- ja pitopiiriltä (7002) FM-signaalin jokaisen parittoman 10 jakson aikana, jotta aikaansaataisiin pipeline-tyyppinen toiminta.

15. Patenttivaatimuksen 11, 12, 13 tai 14 mukainen demodulaat-tori, tunnettu siitä, että se edelleen käsittää integroivan negatiivisen takai-sinkytkentäpiirin (55,57) muuntimen (56) analogisesta jänniteulostulosta muuntimen sisääntuloon takaisinkytketyn varausnäytteen summaamiseksi pi- 15 tokondensaattorissa olevaan varausnäytteeseen, jolloin mainitulla integroivalla takäisinkytkentäpiirillä on integrointiaikavakio, joka vastaa taajuutta, joka on oleellisesti alhaisempi kuin mainitun analogisen jännitesignaalin haluttu taajuuskaista.

16. Jonkin patenttivaatimuksista 9-15 mukainen demodulaattori, 20 tunnettu siitä, että mainittu FM-signaali on välitaajuinen FM-signaali, joka ' on sekoittimella muunnettu alas radiotaajuisesta FM-signaalista. t « 18 105610