DE4020805A1 - Fm-demodulierschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine FM-Demodulierschaltung und befaßt sich insbesondere mit der Verbesserung der Rausch­ unterdrückung, indem die Nachlaufgeschwindigkeit eines Nachlauffilters erhöht wird, das in der Demodulierschal­ tung verwandt wird.

Um das Signalrauschverhältnis einer FM-Demodulation zu erhöhen, wird bisher ein Verfahren angewandt, bei dem ein Schmalbandnachlauffilter benutzt wird, dessen Mittenfre­ quenz der Momentanfrequenz der FM-Welle folgt oder nach­ läuft. Fig. 4 der zugehörigen Zeichnung zeigt ein Bei­ spiel einer bekannten FM-Demodulierschaltung und Fig. 5 zeigt die Rauschverteilung im Ausgangssignal der verschie­ denen Teile dieser Schaltung. In Fig. 4 sind eine 90°- Phasenschiebeschaltung (Differenzierschaltung), ein Begren­ zer 2, ein Phasenkomparator 3, ein Schleifenfilter LPF 4, ein Schmalbandnachlauffilter 5 und ein Begrenzer 6 darge­ stellt. Das durch den vorderen Schaltungsteil zwischen­ frequenzumgewandelte FM-Signal wird in seiner Phase um π/2 durch die Differenzierschaltung 1 vorgeschoben, sein amplitudenvariabler Anteil wird durch den Begrenzer 2 her­ ausgenommen. Dieses Signal liegt somit als Bezugssignal für den Phasenvergleich an einem Eingang des Phasenkompara­ tors 3. Das o.g. FM-Signal liegt weiterhin am Schmalband­ nachlauffilter 5, dessen Mittenfrequenz der Momentanfre­ quenz des anliegenden FM-Signals nachläuft. Nachdem durch das Schmalbandnachlauffilter 5 der Rauschanteil außerhalb des relevanten Frequenzbandes entfernt ist, liegt dieses Signal über den Begrenzer 6 am anderen Eingang des Phasen­ komparators 3. Durch den Phasenkomparator 3 wird dann ein Phasenfehlersignal gebildet. Das Phasenfehlersignal, das in dieser Weise erhalten wird, liegt am Schleifenfilter 4 und wird vom Schleifenfilter 4 als demoduliertes Signal ausgegeben. Dieses demodulierte Signal dient auch als Steu­ ersignal für das Schmalbandnachlauffilter 5.

Da bei der oben beschriebenen bekannten Schaltung das Schmalbandnachlauffilter 5 lediglich bewirkt, daß ein Signal im Frequenzband mit der notwendigen momentanen spektralen Breite im FM-Signal hindurchgeht, kann der Rauschanteil außerhalb des Bandes vollständig entfernt wer­ den, wie es in Fig. 5, 2 dargestellt ist, in der BW′ die Bandbreite des Nachlauffilters 5 bezeichnet. Das durch die Differenzierschaltung 1 und den Begrenzer 2 hindurch­ gehende Signal, das in Fig. 5, 1 dargestellt ist, in der BW die Bandbreite des Zwischenfrequenzfilters bezeichnet, liegt jedoch unverändert am Phasenkomparator. Da von den beiden am Phasenkomparator 3 liegenden Signalen nur bei dem vom Begrenzer 6 kommenden Signal der Rauschanteil entfernt ist, ist die Rauschunterdrückung in der Summe der beiden Signale, die durch die Begrenzer 2 und 6 hindurchgegangen sind, gleich der Hälfte (6 dB) außerhalb des Bandpaßes des Schmalbandnachlauffilters 5, wie es in Fig. 5, 3 dar­ gestellt ist. Innerhalb des Bandpaßes des Schmalbandnach­ lauffilters 5 wird der Rauschanteil nicht unterdrückt (Fig. 5, 2). Die bekannte Schaltung hat daher den Nachteil, daß die Verbesserung bezüglich des Rauschanteils nur etwa die Hälfte (6 dB) beträgt, und daß das Signalrauschverhält­ nis nicht zufriedenstellend erhöht ist.

Durch die Erfindung soll daher erreicht werden, daß der Rauschanteil besser unterdrückt wird, indem für einen ge­ naueren Frequenznachlauf des Nachlauffilters gesorgt wird.

Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße FM-Demodulier­ schaltung dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Nachlauffil­ ter, dessen Mittenfrequenz einem FM-Eingangssignal nachläuft, eine Demoduliereinrichtung, die ein demoduliertes Ausgangs­ signal dadurch bildet, daß sie das über das Nachlauffilter kommende Signal demoduliert, eine Steuereinrichtung, die die Phase des über das Nachlauffilter kommenden Signals mit einem weiteren Eingangssignal vergleicht, um ein Steuer­ signal zu erzeugen, das am Steueranschluß des Nachlauffil­ ters liegt, einen Oszillator, dessen Schwingung von dem Steuersignal gesteuert wird, und eine Phasenschiebeschal­ tung zum Verschieben der Phase des Ausgangssignals des Oszillators um einen bestimmten Betrag zur Bildung des weiteren Eingangssignals umfaßt.

Da die Ausgangssignalphasen des Nachlauffilters und des Oszillators gesteuert werden, kann eine genauere Korrela­ tion zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal des Nachlauffilters, d.h. ein genauerer Frequenznachlauf erreicht werden, wodurch die Rauschunterdrückung verbessert ist.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein beson­ ders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher be­ schrieben. Es zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 schematisch ein Beispiel des Aufbaus des Schmal­ bandnachlauffilters und des Oszillators,

Fig. 3 schematisch die Amplitudenphasencharakteristik des Filters,

Fig. 4 das Blockschaltbild einer bekannten FM-Demodulier­ schaltung und

Fig. 5 die Rauschverteilung im Ausgangssignal an den ver­ schiedenen Teilen der in Fig. 4 dargestellten Schaltung.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen FM-Demodulierschaltung umfaßt ein Schmalbandnachlauf­ filter 7, einen Begrenzer 8, eine Demodulierschaltung 9, ein Tiefpaßfilter 10, Verstärker 11 und 12, ein Tiefpaßfilter 13, einen Oszillator 14, eine 90°-Phasenschiebeschaltung 15, wie beispielsweise eine Differenzierschaltung usw., einen Begren­ zer 16 und einen Phasenkomparator 17.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, liegt das in eine Zwischen­ frequenz durch den Eingangsteil frequenzumgewandelte FM-Ein­ gangssignal am Schmalbandnachlauffilter 7, dessen Mittenfre­ quenz der Momentanfrequenz des Eingangssignals folgt oder nachläuft. Der frequenzvariable Anteil wird nach einer Besei­ tigung des Rauschanteils außerhalb des Frequenzbandes durch den Begrenzer 8 entfernt, und das verbleibende Signal liegt an der Demodulierschaltung 9. Das frequenzdiskriminierte Sig­ nal wird über das Tiefpaßfilter 10 und den Verstärker 11 als demoduliertes Signal ausgegeben. Das Ausgangssignal des Begren­ zers 8 liegt auch an einem Eingang des Phasenkomparators 17.

Das Ausgangssignal des Oszillators 14, der auf der Momentan­ frequenz f₀ des FM-Eingangssignals schwingt, liegt am ande­ ren Eingang des Phasenkomparators 17, nachdem es in seiner Phase um 90° über die Phasenschiebeschaltung 15 vorgeschoben ist, und nachdem sein frequenzvariabler Anteil über dem Be­ grenzer 16 entfernt ist. Der Phasenkomparator 17 erfaßt den Phasenunterschied zwischen den beiden Eingangssignalen und gibt eine Ausgangsgleichspannung aus, die von der Phasenbe­ ziehung abhängt und am Schmalbandnachlauffilter 7 und am Oszillator 14 über das Tiefpaßfilter 13 und den Verstärker 12 liegt, um die jeweilige Frequenz zu steuern. Es sei zu­ nächst angenommen, daß das Eingangssignal nicht moduliert ist und das FM-Eingangssignal durch cos2πf_st wiedergegeben werden kann, das Ausgangssignal des Nachlauffilters 7 durch cos(2πf_st+R₁) wiedergegeben wird und das Ausgangssignal des Oszillators durch cos(2πf₀t+R₂) wiedergegeben wird. Dann läßt sich das Ausgangssignal v₀ des Phasenkomparators 17 wie folgt darstellen:

wobei R₁ die Phasenänderung durch das Nachlauffilter 7 be­ zeichnet und R₂ die Anfangsphase des Oszillators ist.

Wenn in der Gleichung (1) angenommen wird, daß f₀ = f₂ ist, und das Signal durch das Tiefpaßfilter 13 hindurchgeht, da der erste Ausdruck auf der rechten Seite durch das Tief- Paßfilter 13 unterdrückt wird, dann ergibt sich als Steuer­ spannung v₀:

Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, liegen für R₂ = R₁ V₀=0 für R₂ < R₁ V₀ als negative Spannung und für R₂ < R₁ V₀ als positive Spannung am Schmalbandnachlauf­ filter 7 und am Oszillator 14, um die jeweilige Frequenz in gleicher Weise zu steuern. Wenn die Frequenz des FM-Eingangs­ signals der Mittenfrequenz des Schmalbandnachlauffilters durch diesen Arbeitsvorgang entspricht und die Phasen der Signale übereinstimmen, dann wird die oben beschriebene Steu­ erung unterbrochen.

Der Oszillator 14 und das Schmalbandnachlauffilter 7 bestehen dabei beispielsweise aus einem LC-Schwingkreis 18 und einer Mitkopplungsschaltung, in der ein Mitkopplungsverstärker 19 liegt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn die Schleifen­ verstärkung der Rückkopplung mit Gl bezeichnet wird, dann kann der Wert von Gl separat in der folgenden Weise verwandt werden. Wenn die Schaltung als Oszillator benutzt wird, dann fehlt der Eingang IN in Fig. 2. Wenn andererseits die Schal­ tung als Nachlauffilter benutzt wird, dann liegt das FM-Ein­ gangssignal am Eingang IN:

Gl < 1 Schmalbandfilter (Schwingkreis mit großem Q-Faktor)
Gl < 1 Oszillator

Damit die Schwingungsfrequenz f₀ und die Mittenfrequenz f_c des Schmalbandfilters durch die Verwendung der gleichen Steuerspannung übereinstimmen, haben die Bauelemente des LC-Schwingkreises den gleichen Aufbau, so daß eine gute Korrelation erzielt wird. Um die Schwingungsfrequenz f₀ und die Mittenfrequenz f_c des Filters zu verändern, wird eine Kapazitätsdiode D als Kapazität C im LC-Schwingkreis verwandt, und wird die sich ergebende Kapazität unter Verwendung der Steuerspannung verändert. Fig. 3 zeigt die Amplitudenpha­ sencharakteristik des Schmalbandnachlauffilters. Wenn in Fig. 3 das FM-Eingangssignal moduliert ist und seine Momen­ tanfrequenz über der Mittenfrequenz des Nachlauffilters liegt, dann ist die Phase des Ausgangssignals des Schmalbandnachlauf­ filters 7 bezüglich der Phase des Eingangssignals verzögert. Da jedoch die Phase bezüglich der Phase des Trägersignals vorgeschoben wird, läßt sich die Phasenbeziehung bei f₀ < f_c durch R₂ < R₁ in der Relation zwischen R₂ und R₁ ausdrücken. Folglich liegt eine positive Spannung als Steuerspannung an der o.g. Diode. Da somit eine positive Spannung an den Kapa­ zitätsdioden D im Schmalbandnachlauffilter 7 und im Oszilla­ tor 14 liegt, nimmt deren Kapazität C ab, so daß die Mitten­ frequenz des Filters und die Schwingungsfrequenz ansteigen. In dieser Weise wird die Phasenverzögerung durch das Filter verringert, kommen die Momentanfrequenz des Eingangssignals und die Mittenfrequenz des Filters in Übereinstimmung, kommen ihre Phasen miteinander in Übereinstimmung und wird danach der Steuervorgang unterbrochen. Wenn andererseits die Momen­ tanfrequenz unter der Trägerfrequenz liegt, dann wird über einen umgekehrten Arbeitsvorgang die Mittenfrequenz f_c auf einen Wert festgelegt, der gleich der Momentanfrequenz des eingegebenen FM-Signals ist. In dieser Weise wird ein genauer Nachlauf des Schmalbandnachlauffilters möglich.

Durch das oben beschriebene Verfahren wird der Rauschanteil außerhalb des relevanten Bandes durch das Schmalbandnachlauf­ filter 7 entfernt. Da weiterhin das Ausgangssignal des Fil­ ters und das Ausgangssignal des Oszillators (Signal mit einem niedrigen Rauschpegel) als Steuersignal anliegen, arbeitet die Schaltung so, daß sie nur wenig durch das Rauschen beeinflußt wird und ergibt sich eine merkliche Verbesserung des Signal- Rauschverhältnisses der FM-Demodulation.

Wenn weiterhin eine integrierte Schaltung als 90°-Phasen­ schiebeschaltung 15 bei der oben beschriebenen Anordnung verwandt wird, ergibt sich ein ähnlicher Arbeitsablauf. Auch wenn eine Differenzierschaltung als 90°-Phasenschie­ beschaltung 15 benutzt wird, und der Verstärker 12 ein invertierender Verstärker ist, ist der gleiche Arbeitsvor­ gang möglich.

Wie es oben beschrieben wurde, ist aufgrund der Tatsache, daß bei der erfindungsgemäßen Schaltung die Mittenfrequenz des Schmalbandnachlauffilters genauer der Momentanfrequenz des Eingangssignals folgt, die Verzerrung des demodulierten Ausgangssignals infolge einer Verzögerung in dem sich an­ schließenden Arbeitsvorgang verringert. Da weiterhin das Rauschen außerhalb des relevanten Bandes durch das genannte Filter beseitigt wird, ergibt sich ein merklich höheres Signal-Rauschverhältnis. Da schließlich die Selektionscharak­ teristik verbessert ist, kann selbst dann eine gute Charak­ teristik erzielt werden, wenn eine Störung in der Nachbar­ schaft der relevanten Frequenz vorliegt.

Claims (6)

1. FM-Demodulierschaltung mit einem Nachlauffilter, dessen Mittenfrequenz einem FM-Eingangssignal nachläuft und mit einer Demoduliereinrichtung zum Bilden eines demodulierten Ausgangs­ signals durch Demodulieren des über das Nachlauffilter kommen­ den Signals, gekennzeichnet durch eine Steuer­ einrichtung (12, 13, 17), die die Phase des vom Nachlauffilter (7) kommenden Signals mit einem weiteren Eingangssignal ver­ gleicht, um ein Frequenzsteuersignal zu erzeugen, das am Steu­ eranschluß des Nachlauffilters (7) liegt, einen Oszillator (14), dessen Schwingung durch das Steuersignal gesteuert wird, und eine Phasenschiebeschaltung (15) zum Verschieben der Phase des Ausgangssignals des Oszillators (14) um einen bestimmten Be­ trag, um das weitere Eingangssignal zu bilden, das an der Steu­ ereinrichtung (12, 13, 17) liegt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Nachlauffilter (7) aus einem Schwing­ kreis (18) und einem Mitkopplungsverstärker (19) besteht.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwingkreis (18) eine Kapazitäts­ diode (D) enthält.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Oszillator (14) aus einem Schwing­ kreis (18) und einem Mitkopplungsverstärker (19) besteht.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwingkreis (18) eine Kapazitäts­ diode (D) enthält.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Phasenschiebeschaltung (15) eine Differenzierschaltung ist.