DE4324603A1 - IF-Filteranorndung in einem Empfänger für FM-Empfangssignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine ZF-Filteranordnung in einem Empfänger für FM-Empfangssignale.

Es ist eine solche ZF-Filteranordnung bekannt (WO 88/08223 = EP 0 358 649), bei welcher zwischen dem Tuner und dem Demodulator ein schmalbandiges ZF-Filter mit veränderlicher Mittenfrequenz angeordnet ist, dessen Mittenfrequenz mittels Kapazitätsdioden nachstimmbar ist. Einzelheiten der bekannten ZF-Filteranordnung sind weiter unten bei der Figurenbeschreibung erörtert.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten ZF-Filteranordnung liegt in der Regelschleife zur Nachstimmung der Mittenfrequenz. Wenn impulsartige Störungen oder schnelle Modulationssprünge auftreten, dann kann die Regelschleife wegen der großen Zeitkonstanten (Laufzeiten) und der Störmodulation in den Filtern ausrasten, so daß sich in Knallen und Patschen ausdrückende NF-Störungen in Tonempfängern auftreten.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht deshalb darin, eine ZF-Filteranordnung zu schaffen, bei welcher die nachteilige Wirkung einer Regelschleife unter Einschluß der Filter nicht auftreten, wenn eine aus dem demodulierten FM-Signal gewonnene Regelgröße zur Nachführung der ZF-Durchlaßkurve verwendet wird.

Eine Lösung dieses technischen Problems besteht erfindungsgemäß darin, daß die ZF-Filteranordnung fest eingestellte Durchlaßbereiche mit wenigstens zwei Ausgängen mit zueinander versetzten Mittenfrequenzen oder wenigstens zwei Filter mit gleicher Mittenfrequenz, aber zueinander versetzten ZF-Frequenzen aufweist, welche mit einer Gewichtungseinheit verbunden sind und bei welcher der Ausgang des Demodulators über einen Tiefpaß und einen Regelverstärker mit der Gewichtungseinheit verbunden ist.

Eine andere Lösung dieses technischen Problems besteht erfindungsgemäß darin, daß die ZF-Filteranordnung einen festeingestellten Durchlaßbereich und wenigstens zwei Ausgänge mit zueinander versetzten Mittenfrequenzen aufweist, welche jeweils mit einem FM-Demodulator verbunden sind, deren Ausgänge über je einem Tiefpaß mit einer Gewichtungseinheit verbunden sind und der Ausgang der Gewichtungseinheit über einen Regelverstärker zur Gewichtungseinheit zurückgeführt ist.

Der entscheidende Vorteil dem erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß durch die im ZF-Filter entstehende Laufzeitverzögerung der Signale keine nachteiligen Auswirkungen auf die Regelschleife entstehen, weil die Regelschleife erst nach den Filtern eingreift. Außerdem besitzt die erfindungsgemäße ZF-Filteranordnung fest eingestellte Filter, welches produktionstechnisch günstiger ist und welche wesentlich temperaturstabiler zu realisieren sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 5 enthalten. Sie ist nachstehend anhand der Fig. 1 bis 9 erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild der bekannten ZF- Filteranordnung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen ZF- Filteranordnung als Blockschaltbild,

Fig. 3 eine Abwandlung der ZF-Filteranordnung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 Durchlaßkurven einer ZF-Filteranordnung gemäß Fig. 2,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für die Gewichtungseinheit in der ZF-Filteranordnung,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für die ZF-Filteranordnung gemäß Fig. 3 mit drei Ausgängen mit drei zueinander versetzten Mittenfrequenzen,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel für einen in der ZF-Ebene digitalisierten FM-Empfänger mit einer ZF-Filteranordnung ähnlich Fig. 3,

Fig. 8 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen ZF-Filteranordnung als Blockschaltbild und

Fig. 9 eine ZF-Filteranordnung gemäß Fig. 8 mit mehr als zwei Ausgängen und mehr als zwei zueinander versetzten Mittenfrequenzen mit einer anderen Realisierung der Gewichtung.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines FM-Empfängers, welcher die bekannte ZF-Filteranordnung enthält. In diesem FM-Empfänger wird aus dem mit der Antenne empfangenen Signal in den bekannten Baugruppen die ZF erzeugt. Am Ausgang des Demodulators Dem steht das demodulierte FM-Multiplexsignal MPX zur Verfügung, aus dem ein NF-Mono- oder Stereosignal sowie RDS-Daten gewonnen werden.

Bei der bekannten ZF-Filteranordnung wird die ZF in ein ZF- Filter ZF-Fi mit gegenüber einem normalen ZF-Filter deutlich geringerer Bandbreite eingespeist, dessen Mittenfrequenz mit Kapazitätsdioden CAP nachgestimmt werden kann. Die ZF passiert dieses schmalbandige Filter mit einer erheblich größeren Gruppenlaufzeit und damit einer deutlich größeren Verzögerungszeit Td als bei einem normalen Filter.

Im Demodulator Dem wird das FM-Signal demoduliert und steht zur weiteren Verarbeitung als Multiplexsignal MPX zur Verfügung. In einer Regelschleife über den Tiefpaß TP und den Regelverstärker RV wird die Abstimmspannung für die Kapazitätsdiode CAP nachgeregelt, um mit ihrer Hilfe die Resonanzfrequenz des schmalbandigen Filters BP der momentanen Lage der ZF-Frequenz nachzuführen.

Hieraus resultiert zunächst wegen der geringen Bandbreite dieses Filters nach diesem eine deutlich geringere Rauschleistung und bessere Selektion gegenüber einem konventionellen Filter. Entsprechend ist nach dem Demodulator Dem ein verbessertes Rausch-Signalverhältnis des MPX-Signals und eine größere Störfreiheit gegenüber Nachbarkanalstörungen festzustellen.

Der entscheidende Nachteil der bekannten Schaltung ist in der Regelschleife zu suchen. Wegen der Verzögerungszeit Td und der Störmodulation durch die Nachführung des ZF-Filters ZF-Fi kann die Frequenznachführung nach den bekannten Gesetzen der Regelungstechnik nur mit beschränkter Grenzfrequenz nachgeführt werden, weil das System sonst instabil wird. Bei hohem Hub bzw. hoher Modulationsfrequenz stimmt die momentale ZF-Lage nicht mehr mit der Filterfrequenzlage überein, die Spektralanteile des FM-Signals werden entsprechend gedämpft, die Rauschleistung jedoch bleibt konstant, da sie eine durch die Filterbandbreite vorgegebene Größe ist. Damit verfällt das Rausch-Signalverhältnis und bei niedriger Nutzfeldstärke besonders unter Mehrwegeempfangsbedingungen wird rasch die FM-Schwelle erreicht. Die dann auftretenden impulsartigen Störungen werfen das Filter BP vollständig aus dem Nachführbereich, die Regelschleife rastet aus und braucht erhebliche Zeit, bis sie wieder einrastet. Der akustische Störeindruck ist ein recht rauscharmer Empfang, unterbrochen von lauten Knallern und Patschern, verursacht durch Ausrasteffekte der Regelschleife.

Handelt es sich bei dem Empfänger um einen Satelliten-TV- Empfänger, dann treten gegenüber der herkömmlichen Empfänger erst bei einem wesentlich geringeren Eingangspegel an der Antenne Störungen im Videosignal auf, welche sich auf dem Bildschirm zunächst als weiße und schwarze Striche (in der Fachsprache als Spikes oder Fische bezeichnet) bemerkbar machen. Bei einer weiteren Feldstärkeverminderung oder ungünstiger Modulation wächst die Anzahl der Störungen auf dem Bildschirm stark an, welche die Wiedergabe des Bildinhaltes stark stören.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen ZF-Filteranordnung. Ein ZF-Filter ZF-F1/F2 mit zwei Ausgängen und zueinander versetzten Mittenfrequenzen F1 und F2 steuert eine Gewichtungseinheit Gew an. Darin werden die Ausgangssignale F1 und F2 mit variabler Gewichtung summiert und anschließend einem FM-Demodulator Dem zugeführt. Der Ausgang des FM-Demodulators ist zur Regelung dieser Gewichtung in einer Regelschleife auf die Gewichtungseinheit Gew zurückgeführt. Durch Änderung der Gewichtung wird ein dem Nachführen eines L-C-Filters entsprechender Effekt erzielt, jedoch entfällt die für eine Regelschleife nachteilige Laufzeit des ZF-Filters, da die Regelschleife erst nach den Filtern eingreift. Weiterhin kann mit fest eingestellten Filtern gearbeitet werden, was produktionstechnisch günstiger und wesentlich temperaturstabiler zu realisieren ist.

Fig. 4 zeigt die Durchlaßkurven einer ZF-Filteranordnung gemäß Fig. 2 für drei verschiedene Gewichtungen, nämlich:

• 1. F1 100% F2 0% (Kurve a)
• 2. F1 50% F2 50% (Kurve b)
• 3. F1 0% F2 100% (Kurve c).

Das Hauptgewicht dieser ZF-Filteranordnung liegt in der Verbesserung des Rausch-Signalverhältnisses, die Selektion wird zunächst nicht die Größe eines nachgeführten Filters erreichen, dafür aber nicht so starke Ausrasteffekte zeigen, weil die Regelschleife wegen der deutlich reduzierten Totzeit entweder weitaus stabiler oder erheblich schneller ausgelegt werden kann.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen ZF-Filteranordnung, welches eine weitere Steigerung der Selektion bis zu Werten eines nachgeführten Filters gestattet und eine deutliche höhere Grenzfrequenz erreicht. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist der ZF- Filteranordnung gemäß Fig. 2 ein weiterer ZF-Zug einschließlich Demodulator mit dem Ausgang MPX2 parallelgeschaltet, der ein ZF-Filter Fis mit nachführbarer Mittenfrequenz beinhaltet. Als Besonderheit ist jedoch ein Verzögerungsglied Del mit einer Verzögerungszeit Tds vorgeschaltet und die Nachführung erfolgt nicht als Regelschleife durch das eigene Multiplexsignal MPX2, sondern gesteuert durch das zeitlich früher gewonnene Multiplexsignal MPX1.

Die Verzögerungszeit Tds entspricht der Summe aller Verzögerungszeiten in dieser Nachführanordnung; maßgeblich sind hier die Laufzeit im Filter ZF-F1/F2 und die Phasenverschiebung im Tiefpaß des Steuergliedes STG. Damit erfolgt die Nachführung im Unterschied zur bekannten ZF- Filteranordnung phasenrichtig zur Lage der momentanen ZF- Frequenz.

Der Vorteil gegenüber der bekannten ZF-Filteranordnung liegt entweder je nach Optimierung in einer höheren Grenzfrequenz des Multiplexsignals (höhere Kanaltrennung des Stereosignals und wenig gestörter RDS Empfang) oder in einer größeren Selektion bei Monoempfang und damit einhergehend ein besseres Rausch-Signalverhältnis (Fernempfang). Der Vorteil gegenüber der ZF-Filteranordnung nach Fig. 2 liegt bei gleicher Grenzfrequenz in einer höheren Selektion und einer Verbesserung des Rausch-Signalverhältnisses.

Fig. 5 zeigt eine ZF-Filteranordnung gemäß Fig. 2 für einen TV-Satellitenempfänger. Die ZF-Frequenz dieser Empfänger vor dem FM-Demodulator liegt bei 480 MHz. Hier haben sich Oberflächenfilter OFW bewährt. Als Gewichtungseinheit dient ein Bipolarmischer. Dieser ist in der Literatur als Vierquadrantenmultiplizierer oder Gilbertzelle GZ bekannt und daher nur schematisch ohne Gleichstromwege gezeigt. Eine Besonderheit stellt jedoch die Einkopplung der beiden Filterausgänge dar. Im Gegensatz zur Gilbertzelle, wo die Eingangswechselströme i1 und i2 als identische Signale, aber mit 180 Grad gedrehter Phasenlage eingekoppelt werden, sind hier die Ströme unabhängig voreinander jeweils eine Funktion der Ausgänge F1 bzw. F2 und werden an den Widerständen R3 und R4 in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung Urv des Regelverstärkers RV summiert (gewichtet).

Fig. 6 zeigt eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen ZF- Filteranordnung gemäß den Fig. 2 und 5. Diese ZF- Filteranordnung besitzt drei Ausgänge mit drei zueinander versetzten Mittenfrequenzen F1, F2 und F3. Entsprechend Fig. 5 ist bei Vergrößerung der Anzahl der Ausgänge der ZF- Filteranordnung und entsprechender Kaskadierung der Gilbertzellen praktisch jede Filterkurve entsprechend den vorliegenden Empfangsbedingungen bzw. den Empfangsprioritäten möglich; die Extremwerte der resultierenden Filterkurve sind durch die in der Frequenz am weitesten von der Mittenfrequenz entfernten Filterausgänge begrenzt.

Die ZF-Filteranordnungen entsprechend Fig. 2 bis Fig. 6 sind für analoge FM-Empfänger verwendbar. Als ZF-Filter sind sowohl herkömmliche L-C Filter als auch Resonatorfilter oder Oberflächenwellenfilter, beispielweise auf Keramik- oder Quarzsubstrat, denkbar. Weitaus flexibler erweist sich jedoch die Wahl einer digitalen Schaltung ab der ZF- Ebene. Für schnelle Regelschleifen erscheinen wiederum die Anordnungen entsprechend Fig. 2 bis Fig. 6 sinnvoll, da hier in gleicher Weise wie bei den analogen Filtern, digitale Filter mit konstanten bzw. nur langsam zu ändernden Filterfunktionen verwendet werden können, die an sich für schnelle Nachführungen ungeeignet sind.

Fig. 7 zeigt das Prinzipschaltbild eines ab der ZF-Ebene digitalisierten FM-Empfängers entsprechend dem in Fig. 3 gezeigten Prinzips. Gegenüber der analogen Lösung mit festen, allenfalls im Produktionsprozeß zu wählenden Filtereigenschaften ist dieses System weitaus flexibler. Über die Bewertung der Empfangssituation im Empfangsbedingungsanalysator-Baustein RCA können alle Filterparameter entsprechend der Empfangssituation über einen entsprechenden Steuerprozessor voreingestellt, die Verzögerungszeit der Verzögerungseinrichtung Del entsprechend den aktuellen Filtereinstellungen gewählt und die Regelschleife der Gewichtung von Filter 1 bzw. die Steuerkette der Gewichtung von Filter 2 optimiert werden.

Die ZF-Filteranordnung nach Fig. 2 weist gegenüber der bekannten ZF-Filteranordnung die zuvor beschriebenen Vorteile der deutlich kürzeren Regelkonstanten auf. Die ZF- Filteranordnung gemäß Fig. 2 ist zwar optimal bezüglich des Schaltungsaufwandes, nicht jedoch bezüglich der empfangstechnischen Eigenschaften.

Der FM-Demodulator liefert ein Ausgangsspektrum mit steigenden Amplituden zu höheren Frequenzen hin. Ursache dafür ist, daß die FM-Demodulation das Differential der Phasenmodulation darstellt. Bei durch Rauschen oder unerwünschte Frequenzen beispielweise aus einem Nachbarkanal gestörtem Empfang liefern diese Phasenstörungen bezogen auf das Nutzsignal im hohen Frequenzbereich des Basisbandes überproportional hohe Amplituden. Die Rückführungsschleife muß eine phasenrichtig zum Nutzsignal passende Gewichtung ermöglichen und deshalb eine deutlich höhere Grenzfrequenz als das Nutzsignal selber aufweisen. Damit passieren die Störamplituden teilweise den vorgeschalteten Tiefpaß der Regelschleife und beeinflussen die Gewichtung.

In der ZF-Filteranordnung nach Fig. 3 ist deshalb eine Erweiterung mit einer zweiten Filter- und Demodulatorstrecke vorgesehen. Hier kann der Tiefpaß wegen der vorgeschalteten Phasenkorrektur durch das Verzögerungsglied an das Nutzsignal angepaßt werden. Diese Erweiterung stellt aber einen höheren technischen Aufwand dar, zumal sich Verzögerungsglied und Filter in der ZF-Ebene befinden mit den daraus resultierenden Hochfrequenzproblemen.

Eine technisch weniger aufwendige Lösung ist in Fig. 8 gezeigt. Das Filter ZF-F1/F2 ist mit seinen Ausgängen F1 und F2 auf zwei parallele FM-Demodulatoren und Tiefpässe geführt. Alternativ können auch zwei identische Filter mit gleichen Mittenfrequenzen, aber versetzten ZF- Eingangsfrequenzen auf die zwei FM-Demodulatoren geführt werden. Die Alternativen sind gestrichelt gezeichnet. Die zwei Tiefpässe sind identisch aufgebaut und sind daher an ihren Ausgängen phasengleich, ihre Grenzfrequenz kann deshalb auf das Nutzsignal zugeschnitten sein und filtert große Teile der Störamplituden aus. Zudem sind Tiefpässe weitaus billiger zu realisieren als Verzögerungsglieder. Die anschließende Gewichtung erfolgt praktisch verzögerungsfrei in einer Regelschleife vom MPX-Ausgang her. Damit ist die Gewichtung im wesentlichen nur vom Nutzsignal bestimmt.

In Fig. 9 ist eine ZF-Filteranordnung mit ähnlichen Eigenschaften wie die ZF-Filteranordnung in Fig. 3 gezeigt, jedoch ist hier der Aufbau mit parallelen Zweigen analog zu Fig. 8 gewählt. Diese Ausführungsform wird hauptsächlich für digitale Schaltungen anwendbar sein. Der wesentliche Vorteil gegenüber der ZF-Filteranordnung in Fig. 3 besteht darin, daß alle Gewichtungsprozesse im Basisband (Nutzmodulationsfrequenz) ablaufen und damit eine deutlich niedrigere Datenrate und Auflösung gegenüber Systemen im ZF- Bereich notwendig sind. Die Gewichtung erfolgt über den Steuerprozessor Prz. Mit den Demodulatorausgängen MPX 1 bis MPX N stehen Ausgängen zur Verfügung die noch Analysen der Störungen in der Frequenznachbarschaft ermöglichen und daher im Steuerprozessor berücksichtigt werden können, z. B. durch geringere Gewichtung stark gestörter Demodulatorausgänge. Bei Nachbarkanalstörern ist abzusehen, daß dies die jeweils äußeren Frequenzgruppen sind, bei Inbandstörern können dies auch innenliegende Gruppen sein.

Claims (8)

1. ZF-Filteranordnung in einem Empfänger für FM- Empfangssignale, dadurch gekennzeichnet, daß sie fest eingestellte Durchlaßbereiche mit wenigstens zwei Ausgängen mit zueinander versetzten Mittenfrequenzen (F1, F2) oder wenigstens zwei Filter mit gleicher Mittenfrequenz, aber zueinander versetzten ZF-Frequenzen aufweist, welche mit einer Gewichtungseinheit (Gew) verbunden sind und bei welcher der Ausgang des Demodulators (Dem) über einen Tiefpaß (TP) und einen Regelverstärker (RV) mit der Gewichtungseinheit (Gew) verbunden ist.

2. ZF-Filteranordnung in einem Empfänger für FM- Empfangssignale, dadurch gekennzeichnet, daß sie voreingestellte Durchlaßbereiche und wenigstens zwei Ausgänge mit zueinander versetzten Mittenfrequenzen (F1, F2) oder zwei Ausgänge mit gleicher Mittenfrequenz, aber versetzten ZF-Frequenzen aufweist, welche jeweils mit einem FM-Demodulator (Dem) verbunden sind, deren Ausgänge über je einen Tiefpaß (TP1, TP2) mit einer Gewichtungseinheit (Gew) verbunden sind und der Ausgang der Gewichtungseinheit (Gew) über einen Regelverstärker (RV) zur Gewichtungseinheit (Gew) zurückgeführt ist.

3. ZF-Filteranordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als digitale Schaltung ausgebildet ist.

4. ZF-Filteranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtungseinheit (Gew) ein Bipolarmischer (GZ) ist.

5. ZF-Filteranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtungseinheit ein Steuerprozessor (Prz) ist.

6. ZF-Filteranordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Oberwellenfilter (OFW) ausgebildet ist.

7. ZF-Filteranordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Resonatorfilter ausgebildet ist.

8. ZF-Filteranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Durchlaßbereiche in Abhängigkeit von der Qualität des Empfangssignals einstellbar ausgebildet sind.