DE2342053A1 - Fm-demodulatorschaltung - Google Patents

Description

FM-Demodulatorschaltung

Die Erfindung betrifft eine FM-Üemodulatorschaltung vom Inpulszählertyp.

Die FI'i-Demodulation nach der Impulszählmethode hat in den letzten Jahren in zunehmendem Maße Anwendung gefunden, besonders in Breitband-FM-Systemen, Man hat sie auch.angewendet, um die Nachteile der früheren bekannten FM-Demodulatoren mit abgestimmten Kreisen, die Transformatoren oder Schwingkreise, bei denen möglicherweise eine Frequenzabwanderung auftreten kann, erfordern, zu vermeiden.

Bei einem FM-Demodulator vom Impulszählertyp werden typischerweise die frequenzmodulierten Signale verstärkt und begrenzt, so daß sogenannte "Rechteckschwingungen" erzeugt werden, deren Nullachsendurchgänge in der gleichen Weise voneinander beabstandet sind wie bei den FM-Schwingungen. Diese Rechteckschwingungen werden dann in Impulse umgewandelt, deren Amplitude und Breite (Dauer) unabhängig von der Frequenz des zugeleiteten FM-Signals konstant ist. Allgemein wird ein Impuls konstanter Breite bei jedem Nulldurchgang des modulierten Eingangssignals erzeugt. Das resultierende Signal in Form einer Reihe oder Folge von Impulsen konstanter Breite wird dann integriert (oder gefiltert), um den Modulationssignalinhalt wiederzugewinnen,

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Dekannte Impulszähler-Demodulatoren der genannten Art arbeiten mit verschiedenen Formen von Frequenzverdopplung, um die Güte der nach der Integration wiedergewonnenen Signalinformation zu verbessern und einen vergrößerten Abstand oder eine bessere Trennung zwischen dem wiedergewonnenen Impulssignal und der Frequenz des Modulationssignals herzustellen. Letzteres ist besonders wichtig bei Breitband-FM-öemodulatoren, die in Videosystemen verwendet werden.

Bei einer bekannten Art von Impulszähler-Demodulator werden zwei aus der FM-Schwingung abgeleitete gegenphasige und begrenzte Rechteckschwingungen einzelnen astabilen Imltivibratoren zugeleitet. Die von jedem dieser astabilen Multivibratoren bei den Nulldurchgangsstellen des FM-Signals erzeugten Impulse werden dann in einer Addierstufe summiert, um eine Reihe oder Folge von Impulsen mit der doppelten Folfrefrequenz der freouenxniodulierten Träger schwingung zu gewinnen. Ein TiefpaiSf ilter integriert diese Impulsfolge, wodurch das Modulationssignal wiedergewonnen wird.

Dieser bekannte Impulszähler-Demodulator hat .jedoch betriebliche Nachteile. Es ist schwierig, identische astabile Multivibratoren herzustellen. Biese Symmetrieschwierigkeit vergrößert sichin dem Maße, wie der Betriebstemperaturbereich sich ändert, so daß sich Temperaturgleichlaufprobleme ergeben. Wenn die astabilen Multivibratoren nicht genau gleichartig sind, sind die bei den einzelnen Nulldurchgängen erzeugten Impulse voneinander verschieden, indem sie unterschiedliche Energiebeträge enthalten oder unterschiedliche Breite haben.

Dieser durch Unterschiede zwischen den Bauelementen sowie durch Temperaturschwankungen bedingte unvollkommene Gleichlauf ruft unerwünschte Oberwellen hervor, die in den demodulierten Signalen erscheinen. Ebenso rufen GleichlaufSchwankungen in der Addierschaltung unerwünschte Signale im demodulierten Ausgangssignal hervor, wenn die Addierschaltung nicht die beiden Ausgangsimpulsfolgen der Muitivibratoren abgeglichen oder symmetriert hält. Um die Schwierigkeiten der identischen Ausbildung

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der Schaltungselemente sowie des Temperaturgleichlaufs zu vermeiden, hat man Impulszähler-Demodulatoren mit nur einem einzigen astabilen Multivibrator, der bei jedem Nulldurchgang getriggert wird, entwickelt. Jedoch wird bei diesen bekannten Demodulatoren mit einem einzigen astabilen Multivibrator der Einsatz bei hohen Frequenzen, für den die Impulszählmethode der Fri-Demodulation am meisten erwünscht ist, durch die mit der Wiederherstell- oder Rückkippzeit des astabilen Multivibrators (Univibrators) verbundenen Schwierigkeiten in Frage gestellt, indem die Laufzeit oder Kippdauer des Univibrators sich mit zunehmender Betriebsfrequenz mehr und mehr der Schwingungsperioden dauer der hochfrequenten Signale annähert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine FM-Demodulatorschaltung vom Impulszählertyp zu schaffen, welche die genannten Nachteile des Standes der Technik behebt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine FM-Demodulatorschaltung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Signalbehandlungskanal mit einem Koinzidenzdetektor vorgesehen istj daß zwischen die Quelle der zu demodulierenden FM-Sigrnale und den Koinzidenzdetektor ein erster Signalweg sowie ein zweiter Signalweg mit einer von der Signallaufzeit-Charakteristik des ersten Signalweges verschiedenen Signallaufzeit-Charakteristik geschaltet sind, derart, daß der Koinzidenzdetektor eine Folge von Impulsen mit im wesentlichen konstanter Breite, die durch den Unterschied der Signallaufzeiten zwischen den beiden Signalwegen bestimmt ist, erzeugt; und daß dem Koinzidenzdetektor eine lief paiif ilt er anordnung zum Wiedergewinnen der durch die Impulsfolge verkörperten Sifcnalmodulation nachgeschaltet ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fifur 1 das Blockschaltschema eines erfindungsgemäßen FM-Deinodulators vom Impulszählertyp; und

Ficrur 2 eine Reihe von Signal verlauf sdiagrsmmen, welche die Signalbehandlung im FM-Demodulator nach Figur 1 veranschaulichen.

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BADORlQtNAL

In Figur 1 wird ein zu demodulierendes FM-Signal von einer FM-Signalquelle 150 einem Begrenzer 152 und anschließend einem Phasenspalter 163 zugeleitet, der zwei gegenphasige ilechtecksignale erzeugt, deren Nullaehsendurchgänge den Null durchgängen ■ des FM-Signals entsprechen. Die Ausgangssignale des Phasenspalters werden in im wesentlichen identischen Signalkanälen wie folgt behandelt: Der eine Ausgang des Phasenspalters 103 (Signal A) ist an einen ersten Signalweg mit Inversionsstufen 166, I67, 168 und einem NAND-Glied oder -Tor 172 angekoppelt. Die Eingänge des NAND-Gliedes 172 sind so eingerichtet, d.h. zusammengeschaltet, daß das NAND-Glied die gleiche Funktion erfüllt wie die Inversionsstufen 166, I67 und I68.

Im vorliegenden Fall sind die Inversionsstufen I66, 167 und 168 in einer ersten integrierten Schaltung, angedeutet durch die gestrichelte Umrißlinie l64> untergebracht , während das NAND-Glied 172 in einer zweiten integrierten Schaltung I65 untergebracht ist. Das NAKD-Glied 172 kann in der Praxis durch eine zusätzliche Inversionsstufe auf dem integrierten Schaltungsplättchen I64 ersetzt werden. Der Ausgang dieses ersten Signalweges (166,' I67) I68, I72) ist an den einen Eingang eines Koinzidenzdetektors 173 angeschaltet. Der Ausgang· der Inversionsstufe I66 ist ferner über eine Direktverbindung an einen zweiten Eingang des Koinzidenzdetektors 173 angeschaltet, so daß die Inversionsstufe 166 und diese Direktverbindung einen zweiten Signalweg für das Signal A bilden. Der Koinzidenzdetektor erzeugt immer dann ein Ausgangssignal, wenn seine beiden Eingangssignale den gleichen Zustand haben, d.h. der Koinzidenzdetektor 173 erzeugt ein Ausgangssignal "Niedrig", wenn seine beiden Eingangssignale "Hoch" sind.

Das andere Ausgangssignal B des Phasenspalters I63 wird in einem zweiten Signalkanal verarbeitet. In der· gleichen Weise wie beim ersten Signalkanal wird das Signal B über eine Inversionsstufe I69 direkt auf den einen Eingang eines Koinzidenzdetektors 175 sowie über einen Signalweg mit Inversionsstufen 170, 171 und einem NAND-Glied 174 auf den zweiten Eingang des Koinzidenzdetektors 175 gekoppelt. Die Ausgangssig-nale der Koinzidenz-

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detektoren 173 und 175 werden in einer Additionsstufe 176 summiert. Das Summenausgangssignal der Additionsstufe I76 wird in einem Tiefpaßfilter 177 zu einem Ausgangssignal integriert, das dem Modulationssignalinhalt des dem Impulszähler-Demodulator zugeleiteten FM-Eingangssignals entspricht.

Figur 2 zeigt Signalverlaufe, welche die Wirkungsweise des Impulszähler-Demodulators nach Figur 1 veranschaulichen. Der Signalverlauf 25 gibt eine frequenzmodulierte Schwingung wieder, bei der die Nullachsendurchgänge gegenüber denen des unmodulierten Trägers entsprechend dem Modulationsinhalt der Trägergrundschwingung verschoben sind. Der Signalverlauf 26 gibt das Ausgangssignal des Begrenzers 152 wieder und hat die Form einer Rechteckschwingung, deren Nullachsendurchgänge den Nullachsendurchgängen des Eingangssignals 2 5 des Begrenzers 152 entsprechen.

Das dem Signalverlauf 26 entsprechende Signal wird dem Phasenspalter 103 zugeleitet, der zwei Ausgangssignale liefert, deren eines (Signalverlauf 27) mit dem Eingangssignal in Phase und deren anderes (Signalverlauf 28) gegenphasig (um I80 phasenverschoben) zum Eingangssignal 26 ist. Das dem Signalverlauf 27 entsprechende Signal gelangt zur Umkehrstufe 166, die eine solche Laufzeitcharakteristik hat, daß die positiv gerichteten Ausschwingungen (ansteigenden Flanken) um ein erstes Intervall (von z.B. ungefähr 8 Nanosekunden) und die negativ gerichteten Ausschwingungen (abfallenden Flanken) um ein zweites Intervall (von z.B. ungefähr 12 Nanosekunden) verzögert vrevden. Diese Verzögerungen sind durch die Zeitintervalle T3 und T4 im Signalverlauf 29, der das Ausgangssignal der Inversionsstufe I66 wiedergibt, dargestellt. In entsprechender V/eise verzögert die Inversionsstufe I69 das Signal 28, so daß ein Signal 30 entsteht, dessen abfallende Flanken um z.B. 12 Nanosekunden und dessen ansteigende Flanken um z.B. 8 Nanosekunden verzögert sind. Diese Verzögerungen sind durch die Zeitintervalle T5 und T6 dargestellt.

i'/enn die Inversionsstufen im wesentlichen identisch in ihrem Aufbau sind, erfahren die Signale beim Durchlaufen der

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BAD ORIGINAL

Inversionsstufen I67, I68 und des NAliB-Gliedes 172 sowie der Inversionsstufen 170, 171 und des NAND-Gliedes 174 gleichartige Verzögerungen. Die entsprechenden Verzögerungen sind akkumulativ in den Signalverlaufen 31, 33,- 35, 32, 34, 36 dargestellt. Das durch den Signalverlauf 29 wiedergegebene Ausgangssignal der Inversionsstufe I66 und das durch den verzögerten Signalverlauf 35 wiedergegebene Ausgangssignal des NAND-Gliedes 172 gelangen zum Koinzidenzdetektor 173. Das durch den Signalverlauf 37 wiedergegebene Ausgangssignal des Koinzidenzdetektors 173 hat die Form einer 'Reihe oder Folge von Impulsen mit im wesentlichen konstanter Breite. Der Signallaufzeitunterschied zwischen den beiden an den Koinzidenzdetektor 173 angekoppelten Signalwegen bestimmt die Dauer der einzelnen Ausgangsimpulse des Koinzidenzdetektors 173. Die Ausgangsimpulse des Koinzidenzdetektors 173 haben daher im wesentlichen konstante Breite und wurden an sich bei direkter Zuleitung an ein Tiefpaßfilter ein für die Demodulation geeignetes Signal ergeben.

Wie bereits erwähnt, ist es ,jedoch wünschenswert, bei einem Breitband-FM-System, wie es für die Videoaufzeichnung und -demodulation verwendet wird, den /bstand zwischen dem wiedergewonnenen Signal und der Frequenz des r.odulationssignals zu vergrößern. Bs werden daher das Auagangssifiial der Inversionsstufe I69 (Signalverlauf 30) und das Ausgr.ngssip'nr.l des IIA^TD-Gliedes 174 (verzögertes Signal 36) dem Koinzidenzdetektor 175 zugeleitet. Das Ausgangssignal des Koinzidenzdetectors 175 (Signalverlauf 38) ist eine Folge von Impulsen, deren Breite im wesentlichen gleich der Dreite der Ausgangsimpulse des Koinzidenzcl.etcr.tors 173 ist, die ;iedoch aufgrund des ISO -Phasenunter— schiedes zwischen den Ausgangssignalen 27 und 28 des Phasen- ' Spalters zeitlich verschoben sind. Der Signal verlauf 3') fribt das Ausgangssignal der Additionsstufe 176 wieder, der eingangsseitig die. Signale 37 und 38 zugeleitet v/erden. Das resultierende Signal 39 ist eine Folge von Impulsen mit im v/es entliehe η konstanter Breite und konstanter Amplitude und mit der doppel- -ten Eingangsfrequenz, d.h. mit je einem Impuls bei jedem KuIldurchgang des Eingcingssignals 25.

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BAD OBJQtNAt.

Wie bereits erwähnt, betragen die typischen Laufzeiten (SignalVerzögerungen) für jede der Inversionsstufen 166 bis z.B. acht Nanosekunden für einen positiven und 12 Nanosekunden für einen negativen Pegelübergang. Wenn ein Signal eine Stufe oder eine ungerade Anzahl von Stufen durchläuft, ergibt dies, wie man sehen kann, eine gewisse Verzerrung der Signale (Signalverläufe 29 und 30). Dagegen wird bei zwei Stufen oder einer geraden Anzahl von Stufen die richtige zeitliche Beziehung zwischen den Vorder- und Hinterflanken des Signals wiederhergestellt (Signalverlaufe 35 und 36). Bei Anwendung der Erfindung auf die Aufzeichnung von Fernsehsignalen (Videosignalen) ist es erwünscht, eine Trägerfrequenz von ungefähr 6,5 MHz zu verwenden. In diesem Fall sieht man drei Verzögerungsstufen mit einer zusätzlichen Logikstufe vor. Dies ergibt eine typische Verzögerung oder Laufzeit von 31 Nanosekunden und eine maximale Laufzeit von 59 Nanosekunden. Diese Laufzeiten ergeben geeignete Impulsbreiten am Ausgang der Additionsstufe I76 (Signalverlauf

Man sieht aus Figur 1 und den dazugehörigen Signalverlaufen nach Figur 2, daß beide Signalphasen im wesentlichen gleichartig behandelt v/erden, um die geivünschten gleichen Impulsbreiten und den richtigen Zeitablauf zu erhalten. Zur Behebung der Signalverzerrung aufgrund der ungleichen Verzögerung für positive und negative Pegelübergänge ist eine gerade Anzahl von Logikstufen vorgesehen. Da die Verzögerungen oder Laufzeiten auf den selben integrierten Schaltungsplättchen I64, 165 erzielt werden, ergibt sich im wesentlichen die gleiche Temperatur- und Bauelementcharakteristik. Die Impulsbreite ist eine Funktion der Signallaufzeit der speziell verwendeten Bauelemente und kann den konstruktioneilen Gegebenheiten des Systems angepaßt werden. Da beide Signalphasen im wesentlichen gleichartig behandelt werden, werden die eingangs genannten Schwierigkeiten herkömmlicher Impulszähler-Demodulatoren vermieden, die sich aus der Verwendung von getrennten Univibratoren mit unterschiedlichen temperatur bedingen Abweichungen ergeben.

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In der Schaltungsanordnung nach Figur 1 kann man für die integrierte Schaltung 164 Inversionsstufen vom Typ Signetics TTL type 7404 Hex und für die integrierte Schaltung 165 NAND-Glieder vom Typ Signetics TTL type 7400 quad verwenden. Die Systemgrenzen sind für den Betrieb bei einer Trägerfrequenz von ungefähr 6 MIIz mit einem Frequenzhub von 1 MHz gewählt. In der Praxis kann der Demodulator auch bei verschiedenen höheren oder niedrigeren Frequenzen betrieben v/erden. Es wird angenommen, daß die Schaltungsanordnung bei Bestückung mit den oben genannten Bauelementen mindestens bis zu einer Trägerfrequenz von ungefähr 9 MIiζ gut arbeitet.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   1J FM-Demodulatorschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Signalbehandlungskanal mit einem Koinzidenzdetektor (173) vorgesehen ist; daß zwischen die Quelle (150) der zu demodulierenden FM-Signale und den Koinzidenzdetektor ein erster Signalweg (152, 163, 166) sowie ein zweiter Signalweg (152, 163, 166, I67, I68, 172) mit einer von der Signallaufzeit-Charakteristik des ersten Signalweges verschiedenen Signallaufzeit-Charakteristik geschaltet sind, derart, daß der Koinzidenzdetektor eine Folge von Impulsen mit im wesentlichen konstanter Breite, die durch den Unterschied der Signallaufzeiten zwischen den beiden Signalwegen bestimmt ist, erzeugtj und daß dem Koinzidenzdetektor eine Tiefpaßfilteranordnung (177) zum Wiedergewinnen der durch die Impulsfolge verkörperten Signalmodulation nachgeschaltet ist.
2. 2. FM-Demodulatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der FM-Signalquelle (150) ein Signalbegrenzer (152) nachgeschaltet ist, der eine Rechtecksignal schwingung von im wesentlichen konstanter Amplitude erzeugt, deren Nullachsendurchgänge den Nullachsendurchgängen des modulierten Signals entsprechen.
3. 3. FM-Demodulatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Signal weg eine Direktverbindung zu einem ersten Eingang des Koinzidenz detektors (173) enthält und daß der zweite Signalweg eine Signalverzögerungsanordnung (I67, I68, I72) enthält, derart, daß die Breite der einzelnen Ausgangsimpulse des Koinzidenzdetektors im wesentlichen gleich der Verzögerungscharakteristik der Signalverzögerungsanordnung des zweiten Signalweges ist.
4. 4. FM-Demodulatorschaltung nach Anspruch 3, dadurch R- el: en η zeichnet, daß die Signal verzögerungsanordnung mindestens ein Signalumsetzungselement enthält, das für die positiv gerichteten und die negativ gerichteten Pegelüber-

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   gänge der Rechtecksignalschwingung eine vorbestimmte Verzögerung aufweist, welche die Breite der Impulse des Ausgangssignals bestimmt.
5. 5. FM-Demodulatorschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Signalverzögerungsanordnung eine Anzahl von Signalverstärkerstufen (166, I67, I68, 172) enthält, deren jede eine bestimmte Verzögerung aufweist, derart, daß die Breite der Ausgangsimpulse durch die Summe der SignalVerzögerungen der Verstärkerstufen bestimmt wird.
6. 6. FM-Demodulatorschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Signalverstärkerstufen einen gleichartigen Aufbau haben und unter gleichen Umgebungstemperaturverhältnissen betrieben werden.
7. 7. FM-Demodulatorschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Quelle (150, 152, I63) von FM-Signalen, die zwei gegenphasige Signale liefert; durch einen ersten Signalbehandlungskanal (A) mit einem ersten Koinzidenzdetektor (173)j einem zwischen den einen Ausgang der Quelle und den ersten Koinzidenzdetektor gekoppelten ersten Signalweg und einem zwischen den einen Ausgang der Quelle und den ersten Koinzidenzdetektor gekoppelten zweiten Signalweg, der eine andere Signallauf zeit-Cliarakteristik aufweist als der erste Signalweg, derart, daß der erste Koinzidenzdetektor ein erstes Ausgangssignal in Form einer Folge von Impulsen von im wesentlichen konstanter Breite, die durch den Unterschied der Signallaufzeiten zwischen den beiden Signalwegen bestimmt ist, erzeugt; durch einen zweiten Signalbehandlungskanal (B) mit einem zweiten Koinzidenzdetektor (175), einem zwischen den anderen Ausgang der Quelle und den zweiten Koinzidenzdetektor gekoppelten dritten Signalweg und einem zwischen den anderen Ausgang der Quelle und den zweiten Koinzidenzdetektor gekoppelten vierten Signalweg, der eine andere Signallaufzeit-Charakteristik aufweist als der dritte Signalweg, derart, daß der zweite Detektor ein ziieites Ausgangssignal in Form einer Folge von Impulsen von im wesent-

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   lichen konstanter Breite, die durch den Unterschied der Signallaufzeiten zwischen dem dritten und dem vierten Signalweg bestimmt ist, erzeugt, wobei diese Impulse zu den Impulsen des ersten Arusgangssignals eine den relativen Phasen der beiden von der Quelle gelieferten Signale entsprechende zeitliche Beziehunghabenj durch eine an die beiden Koinzidenzdetektoren angekoppelte Addieranordnung (176), die durch Summieren der Ausgangssignale der beiden Koinzidenzdetektoren ein drittes Ausgangssignal in Form einer Folge von Impulsen von im xtfesentlichen konstanter Breite, deren Folgefrequenz· ein Vielfaches .der Frequenz des FM-Signals ist, erzeugt', und durch eine an die Addieranordnung angekoppelte Tiefpaßfilteranordnung (177)> die aus dem dritten Ausgangssignal die Signalmodulation wiedergewinnt, die durch die Summe der ersten und der zweiten Folge von Impulsen von im wesentlichen konstanter Breite verkörpert ist.
8. 8. FM-Demodulatorschaltung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle der frequenzmoduliertcn Signale einen Begrenzer (152) mit nachgeschaltetem Phasenspalter (I63) enthält, der gegenphasige Rechtecksignale liefert, in denen die positiv bzw. negativ gerichteten Pegelübergänge den Nulldurchgängen des frequenzmodulierten Signals entsprechen.

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