DE69307143T2

DE69307143T2 - Am empfänger mit synchroner nachführung

Info

Publication number: DE69307143T2
Application number: DE69307143T
Authority: DE
Inventors: Michael Wyatt
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1992-06-29
Filing date: 1993-06-29
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2013-06-30
Also published as: JPH07508386A; CA2113353A1; CA2113353C; US5603111A; DE69307143D1; EP0648391B1; WO1994000919A1; EP0648391A1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf AM-Empfänger und insbesondere auf einen verbesserten AM-Empfänger mit synchroner Nachführung mit Eigenschafien, welche sich denen eines herkömmlichen Schmalband-Überlagerungsempfängers annähern.
AM-Empfänger werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt und sind erwünscht zur Benutzung in leistungsarmen, kleinvolumigen Anwendungen, wie transportablen Kommandoempfängem. Um die gewünschte Empfindlichkeit zu erzielen, arbeiten die meisten herkömmlichen AM-Empfänger mit einem Überlagerungsverfahren oder sie basieren auf der Überlagerungstechnik. Überlagerungsverfahren erzeugen die gewünschten Betriebskennlinien jedoch auf Kosten relativ großer Bauteile und hoher Leistungsanforderungen, welche zu Empfängereinheiten beträchtlichen Ausmaßes führen. Dies schließt Überlagerungsanordnungen von der Benutzung in kleinen und/oder leistungsschwachen Anwendungen aus.
Die Anmelderin hat die verfügbaren Empfängeranordnungen mit dem Ziel untersucht, einen leistungsarmen AM-Empfänger geringen Raumbedarfs zu schaffen. Bei diesen Untersuchungen hat die Anmelderin einige Veröffentlichungen von Vasil Uzunoglu gefunden, beispielsweise "The Synchronous Oszillator: A Synchronization and Tracking Network, IEEE JORNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS", Band SC-20, Heft 6, Dezember 1985, der auf einen Synchronoszillator für die Verwendung in Takt- Wiedergewinnungssystemen gerichtet ist. Die Anmelderin hat die Schaltung analysiert und vermutet, daß diese auch das verfolgte Signal demodulieren muß. Die Anmelderin hat eine Testschaltung aufgebaut, um zu simulieren, was sie für den aktiven Demodulationsknoten hielt. Die Testschaltung schien anfänglich nicht zu arbeiten oder das vermutete Demodulationssignal zu erzeugen. Nach einer weiteren Analyse kam die Anmelderin zu dem Schluß, daß die Schaltungsanordnung ein demoduliertes Signal erzeugen muß. Die Anmelderin hat erneut das Eingangssignal der Testschaltung mit einem HF-Signal moduliert und fügte zusätzlich ein Tiefpaßfilter an den angenommenen aktiven Knotenpunkt an. Das Tiefpaßfilter zeigte das Vorhandensein des demodulierten Signals, woraus sich die vorliegende Erfindung ergab. Aus der Betrachtung der Aufsätze von V. Uzonoglu ist offensichtlich daß die Demodulationsfähigkeit des Synchronoszillators von V. Uzonoglu nicht entdeckt wurde.
Ferner beschreibt die Zeitschrift Funkschau, Band 62, Heft 20, München vom 21.9.1990 auf den Seiten 113-115 unter der Überschrift "Einfacher Kurzwellen-Empfänger" von H. Karpa einen Empfänger mit zweistufigem Oszillator, wobei die Niederfrequenz von einer Emitterschaltung einer Hochfrequenzstufe über einen Kondensator, eine Niederfrequenz- Vorstufe sowie einen Lautstärkeregler abgeleitet wird.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um das gewünschte Ziel der Bereitstellung eines kleinen leistungsarmen AM-Empfängers zu erreichen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf einen verbesserten AM-Empfänger mit synchroner Nachführung gerichtet, der einen geringen Leistung- und Platzbedarf hat, aber zugleich eine Signalverfolgungsfähigkeit sowie eine Empfindlichkeit hat, die sich einem herkömmlichen Überlagerungsempfänger annähert. Der AM-Empfänger mit synchroner Nachführung umfaßt einen HF-Verstärkereingang, welcher die Eingangssignale einer Synchronisier- und Filterschaltung mit einem modifizierten Colpitts-Oszillator zuleitet. Das Ausgangssignal der Synchronisierschaltung gelangt zu einem Tiefpaßfilter, wird dann von einem Niederfrequenzverstärker verstärkt und getriggert, um ein digital kompatibles demoduliertes AM-Signal entstehen zu lassen.
Diese und weitere Merkmale sowie Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher beim Studium der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild des AM-Empfängers mit synchroner Nachführung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine allgemeinere Ausführungsform des AM-Empfängers mit Synchronnachführung gemäß Fig. 1; und
Fig. 3 ein spezielles Ausführungsbeispiel eines AM-Empfängers mit synchroner Nachführung unter Verwendung der Erfindung.
Obwohl die Erfindung anhand und in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen und Verfahren beschrieben wird, soll hierdurch die Erfindung eineswegs auf jene speziellen Ausfühungsbeispiele beschränkt werden. Es ist vielmehr beabsichtigt, alle alternativen Ausführungsformen und Modifikationen mit der Erfindung zu umfassen.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild 10 eines verbesserten AM-Empfängers mit synchroner Nachführung gemäß der Erfindung dargestellt. Der synchron nachgeführte AM-Empfänger 10 umfaßt eine Antenne 12, welche ein Empfangssignal an einen HF-Verstärker 14 ankoppelt. Dieser verstärkt das empfangene Signal und gibt es an eine Syrichronisier- und Filterschaltung 16 weiter. Der HF-Verstärker 14 kann ein abgestimmter oder ein herkömmlicher Breitband-HF-Verstärker sein.
Die Synchronisierschaltung 16 weist eine Spule 18 auf, welche einem Kondensator 20 parallelgeschaltet ist. Wie dargestellt, kann die Spule 18 als vom integrierten Schaltkreis getrenntes Element gebildet sein, während die meisten Schaltkreiselemente des synchron nachgeführten AM-Empfängers auf dem integrierten Baustein realisiert sind. Die Werte der Spule 18 und des Kondensators 20 werden zur Festlegung der Mittenfrequenz des synchron nachführenden AM-Empfängers 10 entsprechend gewählt.
Das Signal aus der Synchronisierschaltung 16 gelangt über ein Tiefpaß-Datenfilter, bestehend aus einem Widerstand 24 und einem Kondensator 26, an einen Niederfrequenzverstärker 22. Wie dargestellt, werden Widerstand 24 und Kondensator 26 als vom nicht-dargestellten integrierten Schaltkreisbaustein 10 getrennte Bauelemente realisiert, während der Baustein die übrigen Teile des synchron nachgeführten AM- Empfängers 10 umfaßt. Das Signal vom NF-Verstärker 22 wird vorzugsweise einem Schmitt-Trigger 28 zugeleitet. Dieser erzeugt ein digitales Ausgangssignal, welches dann in herkömmlicher Weise ausgenutzt werden kann.
Der AM-Empfänger 10 mit synchroner Nachführung hat eine Nachführfähigkeit sowie eine ausgezeichnete Empfindlichkeit, welche sich deijenigen eines Überlagerungsempfängers annähert. Der AM-Empfänger 10 mit synchroner Nachführung erzielt dieses Ergebnis und erübrigt dabei viele der höchst unerwünschten Elemente einer herkömmlichen Überlagerungsschaltung. Der synchron nachgeführte AM-Empfänger 10 braucht keine Eingangs-HF-Mischstufe, keinen örtlichen Überlagerungsoszillator (üblicherweise ein getrennter Kristall), kein(e) Zwischenfrequenzfilter, keine(n) ZF-Verstärker, keine automatische Frequenzregelung AFC oder PLL-Schaltung (Phasenverriegelungsschaltung) und keinen Daten-Demodulator. Hierdurch ist es möglich, den AM-Empfänger 10 mit synchroner Nachführung auf einem integrierten Schaltkreisbaustein mit den oben erwähnten getrennten Elementen darzustellen, der Gesamtabmessungen von weniger als 5,08 mm (0,2 Zoll) Seitenlänge hat.
Nachfolgend wird die Betriebsweise des AM-Empfängers 10 mit Synchronnachführung unter Bezugnahme auf Fig. 2 im einzelnen beschrieben. Die Betriebsweise des AM- Empfängers 10 mit Synchronnachführung ist nicht die gleiche wie die eines herkömmlichen Empfängers und tatsächlich arbeitet die Schaltung in einer höchst unüblichen Art. Die Elemente des AM-Empfängers 10 mit Synchronnachführung haben die gleichen Bezugszeichen für gleiche oder im wesentlichen gleiche Elemente in jeder der Figuren. Das Signal des HF-Verstärkers 14 wird über einen Koppelkondensator 32 an die Basis eines Transistors 30 gelegt.
Ein Vorspannungsnetzwerk 34 liegt ebenfalls zwischen der Basis des Transistors 30 und der Basis eines zweiten Transistors 36. Letzterer bildet das aktive Element eines modifizierten Colpitts-Oszillators 38. Dieser Oszillator umfaßt einen Transistor 36, einen HF-Koppelkondensator 40, eine Spule 42 sowie zwei Kondensatoren 44 und 46. Die Elemente des Colpitts-Oszillators 38 werden bestimmt durch die Frequenz, für welche der AM-Empfänger 10 mit Synchronnachführung ausgelegt ist. Der Colpitts-Oszillator 38 wird durch eine HF-Spule 48 von der Stromversorgungsspannung +Vcc isoliert. Die Spule könnte auch eine andere Isolatoreinrichtung, wie,beispielweise ein Widerstand oder ein nicht-dargestellter Transistor sein.
Der Transistor 30 injiziert einen Strom in den Colpitts-Oszillator 38 und bildet eine Senke für den Emittergleichstrom des Transistors 36, weil dieser keinen Rückschlußweg über Masse hat. Der Transistor 36 erscheint bei der Mittenfrequenz des AM-Empfängers 10 mit Synchronnachführung als ein Schmalbandfilter für den Transistor 30. Die Spule 42 hat üblicherweise eine Güte Q von weniger als 100. Die effektive Güte des Colpitts-Oszillators 38, wie sie sich dem vom Transistor injizierten Signal darstellt, liegt in der Größenordnung von 10.000 oder mehr. Die erscheinende sehr hohe Güte Q des Colpitts-Oszillators 38 entsteht, weil dieser eine regenerative Schaltung ist. Tatsächlich läuft das Signal solange um, bis der Colpitts-Oszillator 38 den Sättigungszustand erreicht. Bei jedem Signalumlauf wird die effektive Güte Q der Schaltung mit der tatsächlichen Schaltkreisgüte Q multipliziert.
Der Colpitts-Oszillator 38 arbeitet ferner auf eine weitere einmalige Art. Die Amplitude des vom Colpitts-Oszillator 38 erzeugten Signals ist über die Bandbreite des AM- Empfängers 10 mit Synchronnachführung fast konstant. Die Nachführbandbreite oder der Bereich, über welchen der AM-Empfänger 10 mit Synchronnachführung dem HF-Signal folgt, ist der Eingangssignalamplitude direkt proportional. Ist das Eingangssignal amplitudenmoduliert (d.h. trägt ein AM-Signal), so ist die Nachführbandbreite ebenso effektiv moduliert.
Durch Analysieren der Testschaltung hat die Anmelderin festgestellt, daß, weil die Amplitude effektiv die Bandbreite steuert, die Nichtlinearität des Colpitts-Oszillators 38 dazu verwendet werden kann, das gewünschte demodulierte AM-Signal zu erhalten. Folglich wirkt der Colpitts-Oszillator 38 effektiv als nicht-lineares Filter, wobei der Strom vom Transistor 30 effektiv die Filterfunktion steuert. Gleichzeitig arbeitet der Colpitts- Oszillator 38 als AM-Signaldemodulator.
Ein Nachteil des AM-Empfängers 10 mit Synchronnachführung besteht darin, daß dieser nicht sehr selektiv ist, weil die Nachführung von der Amplitude des Eingangssignals abhängt. Wenn also der AM-Empfänger 10 mit Synchronnachführung zur Auswahl eines Signals geringer Amplitude abgestimmt ist und ein Signal mit größerer Amplitude empfangen wird, so wirkt das Signal großer Ämplitude in Richtung auf einen Ausschluß des gewänschten Signals kleiner Amplitude. Eine Möglichkeit zur Beseitigung dieses Nachteils liegt in der Verwendung eines HF-Verstärkers 14 mit hoher Selektivität. Die Selektivität der Synchronisierschaltung kann durch Verwendung eines nicht dargestellten akustischen Oberflächenwellen-Bausteins SAW verbessert werden, der zur Spule 42 parallelgeschaltet wird. Dies vergrößert zwar den Platzbedarf des AM-Empfängers 10 mit Synchronnachführung, hält aber auch eine sehr genaue Signalfrequenz in der Größenordnung von 0,1 bis 1,0 % fest. Das akustische Oberflächenwellenbauteil SAW läge wirkungsmäßig parallel zur Spule 40, wodurch sich eine niedrigere äquivalente Induktivität ergibt, erzeugt aber eine sehr gut geregelte Oszillatorfrequenz.
Das Ausgangssignal des Colpitts-Oszillators 38 wird über ein Tiefpaßfilter, bestehend aus Widerstand 24 und Kondensator 26 dem Verstärker 22 zugeleitet. Dessen Ausgangssignal gelangt dann zum Schmitt-Trigger 28, der ein Digitalsignal erzeugt. Der bisher beschriebene AM-Empfänger 10 mit Synchronnachführung kann mit einer Spannung +Vcc von weniger als 3,0 V sowie über eine Frequenz von 1 GHz hinaus arbeiten.
Bei der Auslegung des Colpitts-Oszillators 38 wird ω&sub0; etwa gleich der Quadratwurzel des Wertes der Summe der Kapazität der Kondensatoren 44 und 46 geteilt durch das Produkt von Kondensator 44, Kondensator 46 und Spule 42 gewählt. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters (Widerstand 24 und Kondensator 26) reflektiert die mittleren feinen Änderungen der Spannung am Emitter des Transistors 36. Die Werte von Widerstand 24 und Kondensator 26 sind entsprechend der gewählten Datenrate des AM-Empfängers 10 mit Synchrondarstellung gewählt. Der Verstärker 22 ist ein unkritisches Element und kann jeder herkömmliche Niederfrequenzverstärker mit hinreichender Verstärkung bei der vorgesehenen Datenrate sein. Der Schmitt-Trigger 28 könnte vom Vergleicher oder Begrenzertyp sein, welcher das gewünschte digitale Ausgangssignal liefert.
Eines der wichtigeren Merkmale eines Empfängers ist die Entsperrzeit des Empfängers, d.h. die Zeit, welche abläuft, während der Empfänger an einem Eingangssignal im vorgegebenen Nachführbereich festhält. Diese Zeit ist bei herkömmlichen Nachführschaltungen etwa dem Wert Q² proportional. Hat folglich ein Empfänger eine gewünschte hohe Güte (hohe Empfindlichkeit), so kann der Empfänger dann eine unerwünscht lange Aufschaltzeitperiode haben. Der AM-Empfänger 10 mit Synchronnachführung hat eine sehr schnelle Aufschaltzeit, weil die Synchronisierschaltung 28 anfänglich für das Eingangssignal eine niedrige Güte Q hat. Das Eingangssignal sieht anfänglich nicht die sehr hohe Güte des umlaufenden Signals. Die effektive Schaltungsgüte wächst nach der anfänglichen Aufschaltung schnell an. Folglich hat der AM-Empfänger 10 mit Synchronnachführung beide erwünschten Merkmale, nämlich eine schnelle Aufschaltzeit und eine hohe Güte Q.
Ferner kann der AM-Empfänger 10 mit Synchronnacführung mit sehr hohen Datenraten arbeiten, weil er schnell aufschalten und abschalten kann. Er hat ferner die Fähigkeit einer Art Speicher, indem nach dem Wegfall eines Eingangssignals (Abschaltung) der AM- Empfänger 10 mit Synchronnachführung langsam zurück auf die Oszillatoreigenfrequenz läuft. Wird ein Signal ausgesandt, beendet und dann in relativ kurzer Zeit neu gestartet, so schaltet sich der AM-Empfänger 10 mit Synchronnachführung praktisch sofort auf Dieses Merkmal errnöglicht es diesem Empfänger, mit impulsförmigen Übertragungen fertigzuwerden. Tatsächlich ist dies die Betriebsweise, wenn der AM-Empfänger 10 mit Synchronnachführung in Verbindung mit Ein/Aus-Tastung (OOK - On, 0ff, Keying) oder 100-prozentig modulierten AM-Übertragungen verwendet wird.
Eine spezielle Betriebsausführung eines AM-Empfängers mit Synchronnachführung ist in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 50 versehen. Der AM-Empfänger 50 umfaßt drei Einheiten, nämlich eine erste herkömmliche Empfänger-HF-Signaleinheit 52, welche die Eingangssignale über eine Leitung 54 von der Antenne 12 empfängt. Die Einheit 52 konditioniert das Eingangssignal in herkömmlicher Weise und koppelt es über die Leitung 56 an den Transistor 30. Dieser bildet einen Teil einer Oszillator- oder Filtereinheit 58. Die Filtereinheit 58 enthält die Elemente des Colpitts-Oszillators 38 sowie das Tiefpaßfilter und erzeugt das demodulierte Signal über den Widerstand 24 und den Kondensator 26 auf der Leitung 60.
Zusätzlich kann der Oszillatorausgang wahlweise über einen Testpuffer 64 überwacht werden, der über die Leitung 66 an den Colpitts-Oszillator 38 angeschlossen ist. Der Testpuffer 64 umfaßt einen Transistor 68, dessen Basis an die Leitung 66 geführt ist. Der Transistor 68 erzeugt ein gepuffertes Oszillator/Filter-Signal auf einer Ausgangsleitung 70.
Das demodulierte Signal auf der Leitung 60 wird einer herkömmlichen Datenausgabeeinheit 72 zugeführt. Diese Datenausgabeeinheit 72 umfaßt einen ersten Einheitsverstärker 74, der als Signalfolger/Puffer arbeitet. Das Signal vom Verstärker 74 wird über einen Koppelkondensator 76 und einen Widerstand 78 einem Verstärker hohen Verstärkungsgrades zugeleitet. Das Signal vom Verstärker 80 gelangt zu einem Verstärkungsbegrenzer-Verstärker 82, der kleine Signale verstärkt und große Signale dämpft, um auf der Leitung 84 ein Ausgangssignal praktisch konstanter Amplitude entstehen zu lassen.
Die für die spezielle Empfängerausführungsform 50 angegebenen Bauelementenwerte sind hinsichtlich +Vcc nicht optimiert und wurden bei einer Spannung +Vcc von etwa 5 V betrieben. Die Mittenfrequenz des sich ergebenden Empfängers 50 liegt bei etwa 584 MHz und die Empfindlichkeit ist besser als -95 dBm und die Datenrate beträgt etwa 4.800 Baud.
Modifikationen und Änderungen der Erfindung sind im Rahmen obiger Vorgaben möglich. Folglich ist verständlich, daß innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche die Erfindung anders als hier speziell beschrieben realisiert werden kann.

Claims

1. AM-Empfänger mit synchroner Nachführung sowie:

a) einer Einrichtung (16, 58) zum Synchronisieren und Filtern eines HF-Eingangssignals;

b) Mitt ein (30) zum Einspeisen eines Stroms in die Synchronisier- und Filtereinrichtung, um ein regeneratives Schwingungssignal zu erzeugen; und

c) einer Vorrichtung (24, 26) zum Filtern des regenerativen Schwingungssignals, um ein demoduliertes AM-Ausgangssignal entstehen zu lassen; dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Synchronisier- und Filtereinrichtung einen modifizierten Colpitts-Oszillator (38) aufweist, um im wesentlichen bei einer vorgegebenen Eingangssignalfrequenz ein Schwingungssignal zu erzeugen; und

e) die Stromeinspeisemittel (30) einen Transistor aufweisen, um das HF-Signal in den modifizierten Colpitts-Oszillator (38) einzukoppeln.

2. Synchronempfänger nach Anspruch 1, wobei die Filtereinrichtung ein aus einer Reihenschaltung eines Widerstands (24) mit einem Kondensator (26) bestehendes Tiefpaßfilter aufweist und am Verbindungspunkt zwischen den beiden das demodulierte AM-Ausgangssignal erzeugt wird.

3. Synchronempfänger nach Anspruch 2, mit einer Einrichtung (28, 72) zur Ableitung eines im wesentlichen digitalen Ausgangssignals aus dem demodulierten AM-Ausgangssignal.

4. Synchronempfänger nach Anspruch 3, mit Mitteln (82) zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals mit praktisch konstanter Amplitude.

5. Synchronempfanger nach Anspruch 1, bei dem die Filtereinrichtung ein aus einer Reihenschaltung eines Widerstands (24) mit einem Kondensator (26) bestehendes Tiefpaßfilter aufweist und am Verbindungspunkt zwischen den beiden das demodulierte AM-Ausgangssignal erzeugt wird und ferner eine Einrichtung (28, 72) zur Ableitung eines im wesentlichen digitalen Ausgangssignals aus dem demodulierten AM-Ausgangssignal vorgesehen ist.

6. Synchronempfänger nach Anspruch 5, mit Mitteln (82) zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals mit praktisch konstanter Amplitude.