DE3447738C2 - Synchrondemodulator für amplitudenmodulierte Signale - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchrondemodulator für amplitudenmodulierte Signale.

Die Synchrondemodulation eines amplitudenmodulierten Signals ist per se bekannt und allgemein verwendeter Stand der Tech­ nik.

Ausführungen dazu sind zum Beispiel in: H. Taub, D. Schilling, "Principles of communication Systems", McGrawHill, Kapitel 3, gemacht.

Die allgemeine Theorie sieht vor, daß bei einem gegebenen amplitudenmodulierten Signal, das durch die Formel:

s(t) = A (1 + m sinω_mt) (sinω_ct),

wobei
ω_m = 2πf_m
ω_c = 2πf_c
f_m = Modulationsfrequenz
f_c = Trägerfrequenz
m = Modulationsindex (0 < m < 1)
A = Trägeramplitude

ausgedrückt wird, die Synchrondemodulation durch Überlagern (d. h. durch Multiplikation) des modulierten Signals mit einem Signal (z. B. sinusförmig), dessen Frequenz f_b gleich der des Trägers des oben erwähnten modulierten Signals ist, bewirkt wird.

Das zur Überlagerung verwendete Signal ist gegeben durch:

s_b = sin (ω_ct + ϕ_b),

wobei ϕ_b die Phasendifferenz zwischen dem Signal s_b und dem Träger von s(t) ist, und die Amplitude des Signals s_b wurde auf eins normiert.

Das Ausgangssignal des Multiplizierers oder der Überlage­ rungsschaltung ist gegeben mit:

s_m(t) = sin (ω_ct + ϕ_b) · 1 + m sin ω_mt) (sin ω_ct) = -1/2.
A (1 + m sin ω_m) [cos (2 ω_ct + ϕ_b) - cos ϕ_b]

Durch Anordnen eines Filters, das die höchsten Frequenzen von f_m abschneidet (z. B. ein Tiefpaßfilter oder ein Bandpaß­ filter mit einer Mittenfrequenz entsprechend f_m) am Ausgang des Multiplizierers, wird der Signalanteil mit einer Fre­ quenz entsprechend 2f_c abgeschnitten und folglich wird ein demoduliertes Signal, dessen Wechselkomponente dieselbe Fre­ quenz wie die des modulierenden Signals hat, ausgegeben.

Die Amplitude des demodulierten Signals hängt jedoch von dem Wert des cos ϕ_b ab, das heißt von der Phasendifferenz zwi­ schen dem modulierten Signal und dem für die Überlagerung verwendeten Signal. Für ϕ_b = 0 (Phasendifferenz gleich Null) wird die Amplitude des demodulierten Signals maximal; ande­ rerseits wird für ϕ_b = 90° (Träger und zur Überlagerung ver­ wendetes Signal phasenverschoben) die Amplitude des demodu­ lierten Signals Null. Aus dem Gesagten wird die Forderung ϕ_b = 0 abgeleitet, das heißt, das zur Überlagerung verwen­ dete Signal stimmt nicht nur in der Frequenz, sondern auch in der Phase mit dem Träger des modulierten Signals überein.

Es kommt oft vor, daß die Frequenz des Trägers des modulier­ ten Signals nicht genau gleich der des Überlagerungssignals ist, oder eine von beiden ist nicht konstant, wobei anderer­ seits aber die Änderungen in einem bestimmten Bereich liegen. In einem solchen Fall unterscheiden sich die Frequenz f_c des Trägers und die Frequenz f_b des zur Überlagerung verwen­ deten Signals gegenseitig um den sehr geringen Betrag δf_c.

Für das Signal s_b(t) gilt dann:

s_b = sin [(ω_c + δω_c) t + ϕ_b] =
= sin [ω_ct + (δω_ct + ϕ_b)],
wobei δω_c = 2Πδf_c.

Die Frequenzdifferenz bewirkt jedoch eine zeitlich variable Phasendifferenz, die im weiteren Verlauf in eine Art von Modulation des beschriebenen Signals umgeformt wird, für das nach Filtern mit einem Tiefpaßfilter gilt:

s_d,(t) = A/2 (1 + m sin w_mt) [cos (ϕ_b + δω_ct)]

Mathematisch entspricht dies einer Überlagerung eines Signals (nicht sinusförmig) mit einer variablen Amplitude und Fre­ quenz f_m mit einem anderen Signal einer Frequenz δf_c.

Mit einem Hochpaßfilter kann die niederfrequente Komponente (δf_c) des Signals s_d′(t) ausgefiltert werden, wodurch ein Ausgangssignal s_d′′(t) erhalten wird, für das gilt:

s_d′′(t) = A/2 · m sin ω_m cos [(ϕ_b + δω_ct)]

Auch unter der Annahme, daß die Bedingung ϕ_b = 0 beim Betrieb eingehalten wurde, repräsentiert ein solches Signal nicht das gewünschte Ergebnis, das heißt, ein Signal, das exakt dem ursprünglichen modulierten Signal entspricht, da zeit­ variable Amplitudenspitzen anstatt konstanter Amplituden auf­ treten.

Dies bedeutet, daß die Detektion eines solchen Signals, ge­ nauer gesagt die Demodulation seines Informationsinhaltes (zum Beispiel die Frequenz), sehr schwierig und unzuverlässig erscheint, da die Zeitabschnitte mit Amplitudenspitzen von minimalem Wert zu einem Detektionsverlust führen können und folglich zu einem Informationsverlust in der Detektoreinrich­ tung. Mit anderen Worten, minimale Spitzen von zu geringem Wert können daher nicht erfaßt werden und können folglich zu einem Fehler des Detektors führen, wie zum Beispiel der An­ zeige einer Frequenz, die von der entsprechenden der Sende­ information abweicht. Dies führt dann zu einer fehlerhaften Wiedergabe derselben Information.

Aus der DE 27 46 979 ist eine Anordnung zur Synchrondemodu­ lation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Die Si­ gnale der Überlagerungsschaltungen werden dort vor der Aus­ gabe in einer Summierschaltung bzw. einer Subtrahierschaltung auf summiert bzw. voneinander subtrahiert und abhängig vom Vorzeichen des Produkts der Ausgangssignale der Überlage­ rungsschaltungen, das von einer Multiplizierschaltung ermit­ telt wird, über eine Addierschaltung an einen gemeinsamen Ausgang ausgegeben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Synchrondemodulator für amplitudenmodulierte Signale zu ermöglichen, der die sichere Erfassung von Informationen, die in dem modulierten Signal enthalten sind, auch beim Auftreten geringer Frequenzdiffe­ renzen zwischen dem modulierten Trägersignal und dem damit überlagerten Signal ermöglicht, und der einfach aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird gelöst von einem Synchrondemodulator nach Anspruch 1.

Mit anderen Worten, der erfindungsgemäße Synchrondemodulator beruht auf der Tatsache, daß dieser nicht mit einer, sondern mit zwei phasenverschobenen Überlagerungen arbeitet, so daß dieselbe Anzahl gleicher Signale s_d′′(t), aber mit um 90° phasenverschobenen Amplituden erzeugt wird, wodurch die minimale Spitze der ersten Überlagerung zeitlich mit der maxi­ malen Spitze der zweiten zusammenfällt, und umgekehrt. Die von der jeweiligen Steuereinrichtung (versehen mit einem geeigneten Schwellenwertdetektor) gesteuerten Umschaltungen des Umschalters ermöglichen es dann zu jeder Zeit, das Si­ gnal mit der maximalen Spitze auszuwählen, wodurch am Ausgang ein demoduliertes Signal mit stets ausreichender Amplitude zur vollständigen und korrekten Erfassung der in demselben Signal enthaltenen Information (zum Beispiel der Frequenz) erhalten wird.

Mit einer geeignet phasenverschobenen zweiten Überlagerung und der abwechselnden Auswahl des Signals mit größerer Ampli­ tude, wird somit die ungenügende Übereinstimmung des Ausgangs­ signals einer einzelnen Überlagerungsschaltung mit dem ur­ sprünglich modulierenden Signal, aufgrund einer möglichen schlechten Frequenzübereinstimmung zwischen dem Träger des modulierten Signals und dem zur Überlagerung verwendeten Si­ gnal, kompensiert.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 das Blockdiagramm einer Aus­ führungsform des Synchrondemodulators;

Fig. 2-8 den Verlauf der Signale in dem Demodulator; und

Fig. 9 eine andere Ausführungsform des Synchrondemodulators.

Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein Synchrondemodulator dargestellt, der zwei Überlagerungsschaltungen 1 und 2 aufweist, von denen die erste einen ersten Eingang, der mit dem amplitudenmodu­ lierten Signal s(t) und einen zweiten Eingang, der mit einem Signal s_b, das dieselbe Frequenz wie der Träger des modulier­ ten Signals hat, gespeist wird, aufweist, während die zweite einen ersten Eingang, der mit dem modulierten Signal s(t) gespeist wird und einen zweiten Eingang, der mit dem gleich­ frequenten Signal s_b über einen Phasenschieber 3, der eine Verschiebung mit einer Phasendifferenz von 90° ermöglicht, gespeist wird, aufweist.

Die Ausgangssignale der Überlagerungsschaltungen 1 und 2, die jeweils Tiefpaßfilter 10 und 11 und Hochpaßfilter 4 und 5 aufweisen, werden auf den Umschalter 6 geleitet, der diese abwechselnd auf den gemeinsamen Ausgang des Demodulators, der mit einem geeigneten Informationsdetektor oder einer Er­ kennungsschaltung 7, zum Beispiel einem Frequenzdetektor, verbunden werden kann, schaltet.

Der Umschalter 6 wird durch eine Steuerschaltung 8 entspre­ chend der Amplitude der gefilterten Signale, die von den Übeilagerungsschaltungen 1 und 2 geliefert werden, ange­ steuert, wobei die Steuerschaltung zu diesem Zweck einen ge­ eigneten Schwellwertdetektor (nicht gezeigt), der innerhalb oder außerhalb derselben Schaltung angeordnet ist, verwendet.

Der in Fig. 1 gezeigte Synchrondemodulator arbeitet auf die im folgenden beschriebene Weise. Das modulierte Signal s(t), das von einem Träger P mit einer Frequenz f_c, der von einem modulierenden Signal M (zum Beispiel sinusförmig) mit einer Frequenz f_m amplitudenmoduliert wird, wird, wie in Fig. 2 gezeigt, in einer Überlagerungsschaltung 1 mit einem Signal s_b mit im wesentlichen der gleichen Frequenz wie der Träger P und in einer Überlagerungsschaltung 2 mit demselben Signal s_b, das durch einen Phasenschieber 3 um 90° phasenverschoben ist, überlagert.

Folglich ergeben sich an den Ausgängen der Überlagerungs­ schaltungen 1 und 2 nach den Tiefpaßfiltern 10 und 11 Signale mit phasenverschobenen Amplituden

d_d1[(t) = A/2 (1 + m sin ω_mt) [cos (ϕ_b + δω_ct)]
s_d2′(t) = A/2 (1 + m sin ω_mt) [cos (ϕ_b + 90° + δω_ct)],

deren Form in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, das heißt, Signale, bei denen eine Komponente (nicht sinusförmig) mit einer Frequenz f_m einer anderen Komponente mit einer Fre­ quenz δf_c überlagert ist, wobei δf_c der Restfehler zwischen dem Träger P des modulierten Signals und dem zur Überlagerung verwendeten Signal s_b ist.

Die niederfrequente Komponente (δf_c) eines solchen Signals wird dann durch Hochpaßfilter 4 und 5 eliminiert, an deren Ausgang jeweils Signale mit phasenverschobenen Amplituden anstehen

s_d1′′(t) = A/2 · m sin ω_mt [cos (ϕ_b + δω_ct)]
s_d2′′(t) = A/2 · m sin ω_mt [cos (ϕ_b + 90° + δω_ct)],

deren Verlauf in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, das heißt Signale, die dieselbe Frequenz f_m wie das modulierende Signal haben, diese aber zwischen minimalen und maximalen Werten variable Amplitudenspitzen aufweisen.

Es ist offensichtlich, daß jedes der Signale, wenn es ge­ trennt verarbeitet wird, zu Problemen in dem Informations­ detektor 7 führen würde, der dann die Spitzen minimaler Höhe nicht erfassen würde und folglich eine veränderte Information detektiert, die im wesentlichen nicht der des gesendeten modulierten Signals entspricht. Insbesondere wird, wenn die zu erfassende Information eine Frequenz ist und der Detektor 7 zum Beispiel ein Digitalzähler, die gewünschte Information wie in Fig. 7 gezeigt durch Rechteckpulsgruppen, die vonein­ ander durch Freiräume getrennt sind, anstatt durch eine ein­ zelne Rechteckschwingung mit konstanter Frequenz f_m entspre­ chend dem gesendeten modulierten Signal, wiedergegeben.

Es ist jedoch der Umschalter 6 vorgesehen, der von der Steuer­ schaltung 8 mit dem einen oder anderen der beiden Hochpaß­ filter 4 und 5 verbunden wird und folglich mit den Überla­ gerungsschaltungen 1 und 2, entsprechend dem Momentanwert der Amplitudenspitzen der Signale s_d1′′(t) und s_d2′′(t). Ge­ nauer gesagt ist der Umschalter 6 auf eines der Hochpaßfilter (das Filter 4 in Fig. 1) geschaltet, solange die Amplituden­ spitze des relativen Signals s_d′′(t) über dem von der Steuer­ schaltung 8 vorgegebenen Schwellenwert verbleibt, während dieser sofort auf das andere Hochpaßfilter (das Filter 5 in Fig. 1) geschaltet wird, sobald die Amplitudenspitze des oben erwähnten Signals unter den Schwellenwert fällt. Dasselbe geschieht in umgekehrter Weise.

Folglich können durch Aufnehmen von Spitzen, die entweder von dem einen oder dem anderen der beiden phasenverschobenen Signale s_d1′′(t) und s_d2′′(t) erfaßt werden, keine Informations­ verluste festgestellt werden, und es wird schließlich damit ein demoduliertes Signal DM erhalten, das exakt dem modulie­ renden Signal M entspricht und die gesamte Information reprä­ sentiert. Insbesondere ist in dem angeführten Beispiel der Frequenzinformation das demodulierte Signal so beschaffen, daß es einem Digitalzähler möglich ist, eine erfaßte Infor­ mation in Form einer Rechteckschwingung konstanter Frequenz f_m, wie in Fig. 8 dargestellt, zu reproduzieren.

Die Ausführungsform des in Fig. 9 gezeigten Demodulators ist funktionell dieselbe. Diese unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten nur durch die Tatsache, daß ein einzelnes Bandpaßfilter 9 an dem gemeinsamen Ausgang des Demodulators angeordnet ist, anstatt daß, wie in Fig. 1 gezeigt, zwei Fil­ terpaare 10, 11 und 4, 5 an den zwei Ausgängen der Überlage­ rungsschaltungen 1 und 2 angeordnet sind. In einem solchen Fall ist es der Steuerschaltung 8 möglich, das demodulierte Signal an dem gemeinsamen Ausgang des Demodulators aufzuneh­ men anstatt der beiden Signale an den Ausgängen der Filter 4 und 5.

Der in Fig. 9 dargestellte Demodulator hat den Vorteil, daß ein Filter eingespart wird. Andererseits ist eine gewisse Verzögerungszeit notwendig, bevor der Demodulator den nor­ malen Betriebszustand erreicht hat.

Andere mögliche Lösungen, auch als Kombination der in Fig. 1 und 9 dargestellten Ausführungsformen können gefunden werden, ohne daß das Gebiet der Erfindung davon geändert wird.

Claims (5)

1. Synchrondemodulator für amplitudenmodulierte Signale mit einer ersten Überlagerungsschaltung (1), die einen ersten mit dem zu demodulierenden modulierten Signal (s(t)) gespeisten Eingang und einen zweiten mit einem Signal (s_b) mit im wesentlichen derselben Frequenz wie der des Trägers des modulierten Signals (s(t)) gespeisten Eingang aufweist, einer zweiten Überlagerungsschaltung (2) mit einem ersten Eingang, der mit dem modulierten Signal (s(t)) gespeist wird, und einem zweiten Eingang, der mit dem Signal (s_b) mit der im wesentlichen selben Frequenz über einen Phasenschieber (3) mit einer Phasendifferenz von 90° gespeist wird, und einer Steuerschaltungseinrichtung (8), die einen Umschalter (6), der zwischen zwei entsprechenden Ausgängen der ersten und zweiten Überlagerungsschaltung (1, 2) und einem gemeinsamen Ausgang des Demodulators angeordnet ist, steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (6) durch die Steuerschaltungseinrichtung (8) zum alternativen Verbinden des gemeinsamen Ausgangs entweder mit dem einen oder dem anderen Ausgang entsprechend der Amplitude der Signale an den Ausgängen der Überlagerungsschaltungen (1, 2) unter Berücksichtigung eines vorbestimmten Schwellwerts gesteuert wird.

2. Synchrondemodulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Filter (4, 5, 10, 11), die an den Ausgängen der Überlage­ rungsschaltungen (1, 2) zur Unterdrückung der Nieder- bzw. Hochfrequenzkomponenten der jeweiligen Ausgangssignale ange­ ordnet sind.

3. Synchrondemodulator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens einen Filter (9), der an dem gemeinsamen Ausgang des Demodulators angeordnet ist, so daß nieder- und hochfre­ quente Anteile des jeweiligen Ausgangssignals eliminiert werden.

4. Synchrondemodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerschaltung (8) so angeordnet ist, daß sie die Ausgangssignale der Überlagerungsschaltungen (1, 2) erfaßt.

5. Synchrondemodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerschaltung (8) nach dem Umschal­ ter (6) zum Erfassen des demodulierten Signals an dem gemein­ samen Ausgang des Demodulators angeordnet ist.