DE3618719C2 - Frequenzmodulationsempfänger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzmodulationsempfänger zum Erzeugen eines Signals, das den Informationsinhalt eines ankommenden frequenzmodulierten Signals angibt.

Es ist bekannt, daß vor der Demodulation eines frequenzmodu­ lierten Signals, das von einer ankommenden HF-Trägerschwin­ gung mitgeführt wird, das HF-Signal durch einen Frequenzum­ setzer geschickt wird, beispielsweise durch eine oder mehre­ re Mischerschaltungen, so daß das HF-Signal in ein Zwischen­ frequenzsignal (ZF-Signal) umgesetzt wird. Das ZF-Signal wird dann einem FM-Demodulator zugeführt, der eine Ausgangs­ spannung abgibt, die dem von der Trägerwelle mitgeführten Frequenzmodulationssignal proportional ist.

Bei einer weiteren bekannten Frequenzumsetzungsanordnung wird ein Frequenzteiler angewendet, der digitale Schaltungs­ elemente enthält, die die Frequenz des HF-Signals durch N teilen, wobei N eine ganze Zahl ist.

Solche Frequenzteiler haben den Nachteil, daß sie für die Verwendung in FM-Demodulatoren nicht besonders gut geeignet sind, die für den Einsatz in Gebieten, in denen es zu einem FM-Empfang mit Interferenzen kommt, oder für Weltraumüber­ tragungen bestimmt sind.

In Thiessen, Paul: "Beitrag zum Problem der Frequenztei­ lung", 1. Teil in NWDR Techn. Hausmitt., Jg. 7, 1955, S. 77- 87, werden unter anderem Frequenzteiler mit einer Mischrück­ kopplung beschrieben, die nicht lineare Verstärkereinrich­ tungen und Abstimmschaltungen enthalten können. Frequenztei­ ler für ultrahohe Frequenzen auf der Basis von stromgesteu­ erten Differenzverstärkern ergeben sich beispielsweise aus Kasperkovitz, W. D.: "Frequenzteiler für ultrahohe Frequen­ zen" in "Philips techn. Rdsch." 38, 1979, Nr. 2, S. 47-62. Frequenzteiler mit dem speziellen Teilungsverhältnis von 1 : 2 ergeben sich beispielsweise aus der US-A-4 670 674.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzmo­ dulationsempfänger der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem ein, bei relativ hohen Frequenzen betreibbarer injek­ tionssynchronisierter Frequenzteiler derart mit einem FM-Mo­ dulator kombiniert ist, daß nicht nur dessen Rauschschwelle verbessert, sondern darüber hinaus auch jegliche gegenseiti­ ge Kopplung zwischen den Resonanzkreisen in dem injektions­ synchronisierten Frequenzteiler und dem FM-Demodulator aus­ geschlossen ist.

Die Erfindung schafft einen Frequenzmodulationsempfänger zum Erzeugen eines Signals, das den Informationsinhalt eines an­ kommenden frequenzmodulierten Signals angibt, mit

• - einem injektionssynchronisierten Frequenzteiler zum Teilen des ankommenden Signals in seiner Frequenz, der einen Mischverstärker enthält, der das ankommende Signal an einem ersten Eingang empfängt, wobei ein Ausgangssignal des Misch­ verstärkers über eine Abstimmschaltung mit einem zweiten Eingang des Mischverstärkers gekoppelt ist,
• - einem digitale Schaltungsglieder enthaltenden weite­ ren Frequenzteiler, der mit dem Ausgang des injektionssyn­ chronisierten Frequenzteilers gekoppelt ist, um das Aus­ gangssignal des injektionssynchronisierten Frequenzteilers in seiner Frequenz weiter zu teilen, und
• - einem FM-Demodulator, der mit dem Ausgang des weite­ ren Frequenzteilers gekoppelt ist, um ein Ausgangssignal zu liefern, das der Modulation des ankommenden frequenzmodu­ lierten Signals entspricht.

Der erfindungsgemäße Frequenzmodulationsempfänger kann HF- Signale mit relativ höherer Frequenz empfangen, wobei eine verbesserte Rauschschwelle gewährleistet ist. Folglich eig­ nen sich solche Empfänger vorzüglich für die Verwendung beim Satellitenfunk, bei dem Frequenzmodulationsempfänger häufig nahe der Schwelle arbeiten müssen, bei der frequenzmodulier­ te Signale gerade noch gegenüber dem Hintergrundrauschen de­ moduliert werden können.

Der FM-Demodulator kann einen phasenempfindlichen Detektor enthalten, der so ausgebildet ist, daß er das in seiner Fre­ quenz weiter geteilte Signal aus einem ersten Pfad und einem zweiten Pfad empfängt, wobei der zweite Pfad ein Phasen­ schiebeglied enthält. Das Phasenschiebeglied bewirkt eine Phasenverschiebung des in seiner Frequenz weiter geteilten Signals aus dem zweiten Pfad in bezug auf das in seiner Fre­ quenz weiter geteilte Signal aus dem ersten Pfad abhängig von seiner Frequenz in der Weise, daß der phasenempfindliche Demodulator ein Ausgangssignal abgibt, das der vom ankommen­ den Signal mitgeführten Modulation entspricht.

Der Frequenzteiler teilt die Frequenz des vom injektionssyn­ chronisierten Teiler gelieferten Signals beispielsweise durch zwei.

In diesem Fall kann der Frequenzteiler von einem D-Flipflop gebildet sein.

Das Koppeln des injektionssynchronisierten Teilers mit dem FM-Demodulator mittels eines Frequenzteilers hat den Vor­ teil, daß die gegenseitige Kopplung zwischen den Resonanz­ kreisen in dem injektionssynchronisierten Teiler und im FM- Demodulator vermieden wird.

Der injektionssynchronisierte Teller enthält eine nichtlineare Verstärkervorrichtung sowie eine Ab­ stimmschaltung mit einem Gleichstromentkopplungsglied, einem Wechselstromkopplungsglied und einem Resonanz­ kreis; die nichtlineare Verstärkervorrichtung ist so ausgebildet, daß sie das frequenzgeteilte Signal ab­ hängig vom Eingangssignal über das Gleichstromentkopp­ lungsglied liefert und das frequenzgeteilte Signal über das Gleichstromentkopplungsglied und das Wechsel­ stromkopplungsglied einem zweiten Eingang der nicht­ linearen Verstärkervorrichtung zuführt, während der Resonanzkreis einen Punkt zwischen dem Gleichstroment­ kopplungsglied und dem Wechselstromkopplungsglied mit Masse verbindet.

Das Gleichstromentkopplungsglied und das Wechselstrom­ kopplungsglied können jeweils von Kondensatoren gebil­ det sein.

Der Resonanzkreis kann eine Spule und einen damit in Serie geschalteten Kondensator enthalten.

Der Punkt kann auch über eine Widerstandsvorrichtung mit der virtuellen Masse verbunden sein.

Solche injektionssynchronisierten Teller (ILD) sind vorteilhaft, da sie einen verbesserten Injektionssyn­ chronisierungsbereich, einen symmetrischeren Injek­ tionsbereich und leichter herzustellende Bauelement­ werte haben.

Der injektionssynchronisierte Teller kann so ausgebil­ det sein, daß er das ankommende Signal durch eins teilt, indem er die Frequenz des Abstimmkreises zur Anpassung an die Frequenz des ankommenden Signals ver­ ändert. In diesem Fall wirkt der injektionssynchroni­ sierte Teller als ein injektionssynchronisierter Oszil­ lator.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispiels­ halber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Frequenzteileranord­ nung nach der Erfindung in Verbindung mit einem FM-Demodulator,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Frequenzteilers der Frequenzteileranordnung von Fig. 1 und

Fig. 3 ein Schaltbild eines Frequenzteilers mit Injektionssynchronisierung der Frequenz­ teileranordnung von Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein FM-Demodulator 1 dargestellt, der in einem FM-Empfänger angewendet werden kann. Dem FM-Demo­ dulator 1 ist eine Frequenzteileranordnung nach der Er­ findung vorgeschaltet, die aus einem Frequenzteiler 2 mit Injektionssynchronisierung und einem damit gekoppel­ ten Frequenzteiler 3 besteht. In dieser Anordnung ist der Frequenzteiler mit Injektionssynchronisierung über einen Kopplungskondensator C₁ mit dem Frequenzteiler 3 verbunden. In Fig. 1 ist eine Anschlußklemme 6 darge­ stellt, die dem Empfang eines frequenzmodulierten Hoch­ frequenzsignals F_IN dient, in dessen Modulation Infor­ mation enthalten ist. Das HF-Signal F_IN wird einem er­ sten Eingang eines Multiplizierers 8 des Frequenztei­ lers 2 mit Injektionssynchronisierung zugeführt, in dem es mit einem Signal F′_OUT multipliziert wird, das an einem zweiten Eingang des Multiplizierers 8 empfangen wird.

Der Frequenzteiler mit Injektionssynchronisierung ent­ hält auch eine Abstimmschaltung 10, die ein Gleichstrom­ entkopplungsglied in Form eines Kondensators C₂, ein Wechselstromkopplungsglied in Form eines Kondensators C₃ und einen Resonanzkreis enthält, der aus einer Se­ rienschaltung mit einer Spule L₁ und einem Kondensator C₄ sowie einem dazu parallel geschalteten Widerstand R₁ besteht.

Der Frequenzteiler mit Injektionssynchronisierung teilt das HF-Signal F_IN durch zwei, und er liefert ein in der Frequenz geteiltes Signal F_OUT. Eine ge­ naue Beschreibung des Aufbaus des Teilers mit Injek­ tionssynchronisierung folgt anschließend unter Bezug­ nahme auf Fig. 3.

Das in seiner Frequenz geteilte Signal F_OUT wird über den Kopplungskondensator C₁ dem Frequenzteiler 3 zuge­ führt, der in diesem Beispiel das in der Frequenz ge­ teilte Signal F_OUT erneut in seiner Frequenz durch zwei teilt, damit ein weiteres in seiner Frequenz ge­ teiltes Signal F′′_OUT an einer Anschlußklemme 12 ge­ liefert wird. Der Frequenzteiler 3 wird unten im Zu­ sammenhang mit Fig. 2 noch genauer erläutert.

Die Frequenzteileranordnung bewirkt die Frequenztei­ lung des ankommenden HF-Signals F_IN durch vier, jedoch kann sie je nach den Anforderungen auch so aufgebaut sein, daß sie eine Teilung mit größeren oder kleineren Teilerfaktoren durchführt. Beispielsweise könnte die Frequenz der Abstimmschaltung 10 geändert werden, so daß sie mit den Frequenzen des HF-Signals F_IN überein­ stimmt, wobei in diesem Fall der Frequenzteiler mit Injektionssynchronisierung dann als Oszillator mit In­ jektionssynchronisierung mit einem effektiven Teiler­ faktor mit dem Wert eins arbeitet.

Das weiter in seiner Frequenz geteilte Signal F′′_OUT wird von der Anschlußklemme 12 dem FM-Demodulator 1 zugeführt, von dem es demoduliert wird. Das Signal F′′_OUT wird einem phasenempfindlichen Demodulator 13 über einen ersten Pfad 14 zugeführt, dem es auch über einen zweiten Pfad 15 zugeführt wird. Im zweiten Pfad 15 liegt eine Phasenschiebervorrichtung, die aus einem eine Phasenverschiebung von 90° hervorrufenden Konden­ sator C₅ sowie einem parallel zu einer Spule L₂ ge­ schalteten Kondensator C₆ besteht. Der Kondensator C₆ und die Spule L₂ verbinden den zweiten Pfad 15 mit Mas­ se, wobei das Signal F′′_OUT eine von seiner Frequenz abhängige Frequenzverzögerung erfährt. Der Kondensator C₅ verschiebt das über den zweiten Pfad 15 übertragene Signal F′′_OUT um 90°. Der phasenempfindliche Demodula­ tor 13 empfängt daher das in seiner Frequenz weiter ge­ teilte Signal F′_OUT über zwei getrennte Pfade in der Weise, daß das Signal F′′_OUT in einem Pfad abhängig von der Modulation des ankommenden HF-Signals F_IN sich in der Phase in bezug auf das andere Signal verändert. Der phasenempfindliche Demodulator 13 liefert ein Ausgangs­ signal F_SIG′ das den Frequenzmodulationsinhalt des an­ kommenden HF-Signals F_IN anzeigt.

In Fig. 2 ist ein genaues Ausführungsbeispiel des Fre­ quenzteilers 3 dargestellt, der digitale Schaltungs­ elemente enthält, die eine Frequenzteilung des Signals durch zwei bewirken. Der Frequenzteiler 3 ist ein D- Flipflop, und er besteht aus zwei Halteschaltungen L₁ und L₂. Die Halteschaltung L₁ besteht aus zwei Transi­ storen T₁ und T₂, und die Halteschaltung L₂ besteht aus zwei Transistoren T₃ und T₄. Den Halteschaltungen L₁ und L₂ wird Strom über ein emittergekoppeltes Differenz­ glied aus zwei Transistoren T₅ und T₆ sowie einer Strom­ quelle C₇ zugeführt. Das ankommende frequenzgeteilte Signal F_OUT wird über eine Anschlußklemme V_IN dem Tran­ sistor T₅ zugeführt. Die Basis des Transistors T₆ ist an eine Bezugsspannung V_REF gelegt.

Den Halteschaltungen L₁ und L₂ sind Fühlerglieder T₇, T₈ bzw. T₉, T₁₀ zugeordnet, die den Zustand ihrer zu­ gehörigen Halteschaltung feststellen. Dies bedeutet, daß das Fühlerglied T₇, T₈ den Zustand der Halteschal­ tung L₁ feststellt und bewirkt, daß der Zustand der Halteschaltung L₁ in der Halteschaltung L₂ eingestellt wird, während das Fühlerglied T₉, T₁₀ den Zustand der Halteschaltung L₂ feststellt (der dem inversen Zustand der Halteschaltung L₁ entspricht) und bewirkt, daß der Zustand der Halteschaltung L₂ in der Halteschaltung L₁ eingestellt wird. Den Fühlergliedern T₇₁ T₈ und T₉, T₁₀ wird Strom aus zwei Transistoren T₁₁, T₁₂ und einer Stromquelle C₈ zugeführt.

Der Frequenzteiler 3 liefert das in seiner Frequenz weiter geteilte Signal F′′_OUT an seiner Anschlußklem­ me 12.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird nun der Frequenztei­ ler 2 mit Injektionssynchronisierung genauer erläutert.

Der Frequenzteiler mit Injektionssynchronisierung be­ steht aus einem Strominjektionsglied 20, das aus einem Transistor T₂₀ und einer Vorrichtung zum Liefern eines Gleichstroms-besteht, die ihrerseits im vorliegenden Fall aus einer Gleichstromquelle 22 und einem Konden­ sator C₁₀ besteht. Die Basis des Transistors T₂₀ emp­ fängt das ankommende HF-Signal F_IN′ und das Stromin­ jektionsglied liefert an die Emitter einer nicht linea­ ren Verstärkungs- oder Multipliziervorrichtung in Ab­ hängigkeit vom ankommenden HF-Signal F_IN einen Gleich­ strom.

Die nicht lineare Verstärkungsvorrichtung besteht aus einem emittergekoppelten Differenztransistorpaar T_23′ T_24′das gemäß Fig. 3 angeschlossen ist.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Transisto­ ren T₂₃ und T₂₄ auf eine Spannung vorgespannt, die von einem Spannungsteiler aus Widerständen R₂, R₃, R₄, R₅ sowie einem zwischen einer Spannungsversorgungsleitung V_CC und einer Masseleitung E eingefügten Kondensator C₁ bestimmt wird.

Ein aus dem Kondensator C₂ bestehendes Gleichstroment­ kopplungsglied, durch das das Signal F_OUT übertragen wird, ist an den Kollektor des Transistors T₂₃ ange­ schlossen, und ein Wechselstromkopplungsglied aus dem Kondensator C₈ liegt zwischen der Basis des Transistors T₂₄ und dem Resonanzkreis. Das in seiner Frequenz ge­ teilte Signal F_OUT wird über den Kondensator C₃ zum zweiten Eingang des Multiplizierers 8 übertragen, so daß dadurch das Signal F′_OUT geliefert wird.

Zum Vorspannen des Kollektors des Transistors T₂₃ ist ein Gleichspannungs-Vorspannungsglied in Form eines Widerstandes R₆ vorgesehen. Das Vorspannungsglied kann auch als Drossel ausgebildet sein.

Der Resonanzkreis enthält die Spule L₁, den Kondensa­ tor C₄ und den Widerstand R₁, wie oben bereits beschrie­ ben wurde. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, verbindet der Re­ sonanzkreis einen Punkt zwischen den Kondensatoren C₂ und C₈ mit Masse, die eine virtuelle Masse sein kann.

Der Resonanzkreis und die Kondensatoren C₂ und C₈ erge­ ben bei Einfügung in einen injektionssynchronisierten Teiler (ILD) gemäß der oben beschriebenen Ausführung die Vorteile, daß dieser Teiler einen verbesserten Syn­ chronisierungsbereich, einen symmetrischeren Injektions­ bereich und insbesondere in Form einer integrierten Schaltung einfacher zu verwirklichende Bauelementwerte hat.

Wenn eine Frequenzteileranordnung nach der Erfindung aufgebaut wird, kann es notwendig sein, den Teiler 2 mit Injektionssynchronisierung mit dem Frequenzteiler 3 über eine Vorrichtung in Form einer nicht dargestell­ ten Schnittstellenschaltung zu koppeln, damit richtige Gleichstrompegel und ein richtiger Ausgangshub erhal­ ten werden. Eine ebensolche Schaltung kann zum Koppeln des Frequenzteilers 3 mit dem FM-Demodulator 1 erfor­ derlich sein. Der Aufbau solcher Kopplungsschaltungen ist dem Fachmann in der Technik der FM-Empfänger be­ kannt.

Claims (7)

1. Frequenzmodulationsempfänger zum Erzeugen eines Signals, das den Informationsinhalt eines ankommenden frequenzmodu­ lierten Signals angibt, mit

• - einem injektionssynchronisierten Frequenzteiler (2) zum Teilen des ankommenden Signals in seiner Frequenz, der einen Mischverstärker (8) enthält, der das ankommende Signal an einem ersten Eingang empfängt, wobei ein Ausgangssignal des Mischverstärkers (8) über eine Abstimmschaltung (10) mit einem zweiten Eingang des Mischverstärkers (8) gekoppelt ist,
• - einem digitale Schaltungsglieder enthaltenden weite­ ren Frequenzteiler (3), der mit dem Ausgang des injektions­ synchronisierten Frequenzteilers (2) gekoppelt ist, um das Ausgangssignal des injektionssynchronisierten Frequenztei­ lers (2) in seiner Frequenz weiter zu teilen, und
• - einem FM-Demodulator (1), der mit dem Ausgang des weiteren Frequenzteilers (3) gekoppelt ist, um ein Ausgangs­ signal zu liefern, das der Modulation des ankommenden fre­ quenzmodulierten Signals entspricht.

2. Frequenzmodulationsempfänger nach Anspruch 1, bei dem der FM-Demodulator (1) einen phasenempfindlichen Demodulator (13) enthält, der so ausgebildet ist, daß er das in seiner Frequenz weiter geteilte Signal aus einem ersten Pfad (14) und einem zweiten Pfad (15) empfängt, und der zweite Pfad (15) ein Phasenschieberglied (C₅) enthält, das die Phase des in seiner Frequenz weiter geteilten Signals aus dem zweiten Pfad (15) in bezug auf das in seiner Frequenz weiter geteil­ te Signal aus dem ersten Pfad (14) abhängig von seiner Fre­ quenz so verschiebt, daß der phasenempfindliche Demodulator (13) ein Ausgangssignal abgibt, das der vom ankommenden Sig­ nal mitgeführten Modulation entspricht.

3. Frequenzmodulationsempfänger nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abstimmschaltung (10) ein Gleichstromentkopplungs­ glied, ein Wechselstromkopplungsglied und einen Resonanz­ kreis enthält, wobei das Gleichstromentkopplungsglied und das Wechselstromkopplungsglied vorzugsweise jeweils von Kon­ densatoren (C₂ bzw. C₃) gebildet sind.

4. Frequenzmodulationsempfänger nach Anspruch 3, bei dem der Resonanzkreis eine Spule (L₁) und einen damit in Serie ge­ schalteten Kondensator (C₄) enthält.

5. Frequenzmodulationsempfänger nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der Punkt zwischen dem Gleichstromentkopplungsglied (C₂) und dem Wechselstromkupplungsglied (C₃) über ein Resonanz­ glied (R₁, L₁, C₄) an Masse angelegt ist.

6. Frequenzmodulationsempfänger nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, bei dem der weitere Frequenzteiler (3) die Frequenz des vom injektionssynchronisierten Frequenzteiler (2) gelieferten Signals durch zwei teilt.

7. Frequenzmodulationsempfänger nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, bei dem der weitere Frequenzteiler (3) ein D- Flipflop ist.