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FM-Empfänger mit einer Schaltung zur Überabtastung - Dokument DE69419961T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69419961T2 24.02.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0624959
Titel FM-Empfänger mit einer Schaltung zur Überabtastung
Anmelder CSEM Centre Suisse d`Electronique et de Microtechnique S.A. - Recherche et Développement, Neuchatel, CH
Erfinder Pardoen, Matthijs D., CH-2074 Marin, CH
Vertreter Sparing . Röhl . Henseler, 40237 Düsseldorf
DE-Aktenzeichen 69419961
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 04.05.1994
EP-Aktenzeichen 941069528
EP-Offenlegungsdatum 17.11.1994
EP date of grant 11.08.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.02.2000
IPC-Hauptklasse H04B 1/28
IPC-Nebenklasse H04B 1/30   H03D 3/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Funkempfänger zum Empfang eines frequenzmodulierten (FM) Nachrichtensignals und insbesondere Funkempfänger des Typs, der einen Hilfsoszillator, eine Überlagerungsstufe zum Mischen des empfangenen Nachrichtensignals mit dem vom Hilfsoszillator erzeugten Signal, um die durch das Nachrichtensignal modulierte Frequenz auf eine Zwischenfrequenz abzusenken, und eine Demodulatorstufe zum Empfang eines Ausgangssignals der Überlagerungsstufe, aus dem die Demodulatorstufe das Nachrichtensignal gewinnen soll, enthalten. Der FM-Empfänger ist so angelegt, daß er in Form einer einzigen integrierten Schaltung realisiert werden kann, wobei im Verlauf der vorliegenden Abhandlung die vorliegende Erfindung im Rahmen dieses Anwendungsbeispiels erläutert wird. Es ist jedoch offensichtlich, daß die Erfindung nicht auf diese besondere Ausführung eingeschränkt ist.

Heutzutage findet die Frequenzmodulation eine sehr breite Anwendung bei der Übertragung von Nachrichtensignalen, vor allem aufgrund ihrer Fähigkeit zur Rauschunterdrückung. Die Frequenzmodulation besteht in der Modulation der Frequenz eines Trägersignals durch ein Nachrichtensignal, wobei selbstverständlich die Amplitude des Signals stets konstant bleibt. Folglich wird die in einem FM- Signal enthaltene Information durch die Nulldurchgänge des modulierten Signals repräsentiert, die der Empfänger erfassen soll. In Europa nutzt der Stereorundfunk das von 88 bis 108 MHz reichende Frequenzband.

Meist sind die FM-Empfänger vom Überlagerungstyp, in dem die von dem Empfänger empfangenen Signale mit einem Signal gemischt werden, das von einem Hilfsoszillator erzeugt ist, um die Frequenz des empfangenen Signals abzusenken und infolgedessen eine bessere Filterung des Signals zu ermöglichen.

Die Frequenz des Hilfoszillators kann in bezug zur Trägerfrequenz so eingestellt werden, daß die verschiedenen Hochfrequenzen der Sender in die Zwischenfrequenz umgewandelt werden können, die ihrerseits fest ist. Das modulierte Signal mit der Zwischenfrequenz kann dann von einer entsprechenden Demodulationsschaltung demoduliert werden.

Fig. 1 der beigefügten Abbildungen zeigt ein Beispiel eines derartigen FM- Empfängers 1 vom Typ Überlagerungsempfänger mit Frequenzabsenkung, wobei dieser Empfänger im wesentlichen eine Antenne 2, eine Hochfrequenzstufe (HF) 3, eine Mischstufe 4, einen Hilfsoszillator 5, eine Zwischenfrequenzfilterung (IF) 6, einen Verstärker/Begrenzer 7, einen Demodulator 8, eine Stufe 9 zur automatischen Nachstimmung (AFC), einen Audioverstärker 10 und einen Lautsprecher 11 umfaßt. Die Antenne 2 fängt Signale auf, die im FM-Übertragungsband zwischen 88 und 108 MHz liegen und gibt die entsprechenden elektrischen Signale an die Hochfrequenzstufe 3 ab.

Die Hochfrequenzstufe 3 ist auf die Trägerfrequenz fc eines gewählten Senders abgestimmt und verstärkt die elektrischen Signale, die von der Antenne 2 in einem um die Frequenz fc zentrierten Frequenzband empfangen werden, wobei parasitäre Spiegelfrequenzen ausgeschlossen werden. Das Signal des Hilfsoszillators 5 und das aus der Hochfrequenzstufe 3 kommende Signal werden vom Mischer 4 multipliziert, so daß das am Ausgang des Mischers 4 erscheinende Nachrichtensignal mit der Zwischenfrequenz fIF moduliert ist.

Die Abstimmung des Hilfsoszillators 5 und die der HF-Stufe 3 sind miteinander gekoppelt, um im Empfänger FM 1 die Unterdrückung von Spiegelfrequenzen zu verbessern. Die funktionellen Merkmale des Filters IF 6 sind so gewählt, daß nur die innerhalb eines um die Zwischenfrequenz fIF zentrierten Frequenzbandes liegenden Signale das Filter passieren.

Der Verstärker/Begrenzer 7 begrenzt die Amplitude des vom Filter 6 hindurchgelassenen Signals, um daraus alle amplitudenmodulierten (AM) Komponenten zu entfernen.

Der Demodulator FM 8 demoduliert das aus dem Verstärker/Begrenzer 7 stammende Signal und leitet die auf diese Weise gewonnenen Nachrichtensignale an den Audioverstärker 10. Die Signale werden dann vom Ausgang dieses Audioverstärkers 10 an den Lautsprecher 11 übertragen, um dort wiedergegeben zu werden. Schließlich ermöglicht die AFC-Stufe 9 die Feinabstimmung der Frequenz fL0 des Signals des Hilfsozillators 5 in Abhängigkeit vom kontinuierlichen Ausgangssignal des Demodulators 8, um die Zwischenfrequenz fIF konstant zu halten.

Oft wird in FM-Empfängern eine Zwischenfrequenz von ungefähr 10,7 MHz gewählt - eine Frequenz, die etwas größer ist als die Hälfte des FM- Sendebandes von 20 MHz, so daß alle Spiegelfrequenzen außerhalb dieses Sendebandes liegen. Die mit derartig hohen Zwischenfrequenzen arbeitenden FM- Empfänger vom Typ Überlagerungsempfänger können fast vollständig auf einem einzigen Chip integriert werden, während die Signalverarbeitung, die derartige Empfänger mit einschließen, die Verwendung von LC-Abstimmkreisen außerhalb des Chips und von Keramikfiltern oder von akustischen Oberflächenwellenfiltern in der HF-Stufe, der Überlagerungsstufe und der Demodulatorstufe des Empfängers erfordert.

Die Verwendung von niedrigeren Zwischenfrequenzen, auf welche mittels vollständig integrierter Filter mit kleinem Q-Faktor abgestimmt werden kann, beseitigt die Notwendigkeit dieser außerhalb des Empfängerchips angeordneten Filter, was demzufolge ermöglicht, den Empfänger auf einem einzigen Chip zu realisieren, mit dem nur eine kleinstmögliche Anzahl externer Komponenten verbunden ist.

Folglich wird in manchen FM-Empfängern eine Zwischenfrequenz fIF von nur 70 kHz benutzt, was erlaubt, diese praktisch vollständig in Form eines einzigen integrierten Schaltkreises auszuführen. Dieser Wert der Zwischenfrequenz ist derart gewählt, daß sich die Spiegelfrequenz des gewählten Senders ungefähr in der Mitte zwischen der Bandmittenfrequenz dieses Senders und der des benachbarten Senders einordnet.

Diese FM-Empfänger haben jedoch den Nachteil, eine geringe Bandbreite zu besitzen. Die Rückfaltung des Spektrums (angelsächsischer Begriff: "aliasing") zieht eine beachtliche Verzerrung nach sich, wenn die Modulationsfrequenz, d. h. die Frequenz des Nachrichtensignals, höher als die Zwischenfrequenz fIF ist. Außerdem ruft die Drift des Multiplikators und der in den Demodulatoren verwendeten Flankendetektoren eine beträchtliche Verzerrung durch Spektrenrückfaltung hervor, wenn die Modulationsfrequenz höher als die halbe Zwischenfrequenz ist. Demnach bewirkt die Verringerung der Zwischenfrequenz fIF auf 70 kHz eine entsprechend verringerte Bandbreite des Nachrichtensignals, die vom FM-Empfänger empfangen und demoduliert werden kann.

Die Verzerrung durch Spektrenrückfaltung stellt insbesondere in Übertragungssystemen, die Frequenzmultiplexbetrieb verwenden, ein Problem dar. Die in Europa übliche frequenzmodulierte Rundfunkübertragung ist ein typisches Beispiel eines derartigen Systems, denn in diesem Fall ist die hauptsächlich stereophone Information auf eine Hilfsträgerfrequenz von 38 kHz moduliert und zusätzliche digitale Information, die das Hauptprogramm ergänzt (auch RDS-System (Radio Data System) genannt), hat die Form von Signalen mit schwacher Amplitude und ist durch Phasenverschiebung (PSK-Modulation) auf eine Hilfsträgerfre quenz von 57 kHz aufmoduliert. Um diese zusätzliche digitale Information mit schwacher Amplitude zu rekonstruieren, muß die Bandbreite des Ausgangssignals des FM-Demodulators mindestens 60 kHz betragen.

Es ist demnach klar, daß die Verwendung einer Zwischenfrequenz in der Größenordnung von 70 kHz infolge Spektrenrückfaltung zu einem Vermischen der monophonen Tonsignale von 13 kHz und starker Amplitude und der RDS-Signale mit schwacher Amplitude führen kann.

Die höchste nutzbare Zwischenfrequenz ist durch den gewünschten Ausschluß der Spiegelfrequenzen und durch den Abstand der Kanäle oder Sender im FM-Sendeband vorgegeben. Folglich kann die Bandbreite der demodulierten Tonsignale nicht einfach durch eine Erhöhung der Zwischenfrequenz fIF des Empfängers verbessert werden.

Die Erfindung hat zum Ziel, einen Funkempfänger zum Empfang eines frequenzmodulierten Nachrichtensignals zu liefern, der erlaubt, die Unzulänglichkeiten des Standes der Technik zu beheben.

Die Erfindung hat demnach einen Funkempfänger zum Empfang eines ausgewählten FM-Signals, in dem ein Nachrichtensignal A(t) die Frequenz eines Trägers moduliert, zum Gegenstand, wobei dieser Empfänger einen Hilfsoszillator, der ein Hilfsoszillationssignal erzeugt, eine Überlagerungsstufe zum Mischen des ausgewählten FM-Signals mit dem vom Hilfsoszillator erzeugten Signal, um die durch das Nachrichtensignal modulierte Frequenz des Trägers auf eine Zwischenfrequenz abzusenken, und eine Demodulatorstufe, die an den Ausgang der Überlagerungsstufe gekoppelt ist, um von dieser ein Signal zu erhalten und aus diesem das Nachrichtensignal zu extrahieren, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerungsstufe einen Signalgenerator zum Erzeugen von n Signalen a&sub1; ... an enthält, wovon jedes dieser Signale die von dem Nachrichtensignal modulierte Zwischenfrequenz hat, wobei die Signale miteinander gemäß folgendem Ausdruck verbunden sind:

ai = cos[ωIFt + kf tA(t)dt + Ω + π · i/n]

worin ωIF, kf und Ω Konstanten sind, n eine positive ganze Zahl größer oder gleich 2 ist und i jeden positiven ganzzahligen Wert kleiner oder gleich n annehmen kann, wobei die Überlagerungsstufe außerdem eine Multplikatorschaltung zum Multiplizieren der n Signale miteinander enthält, um an ihrem Ausgang ein Signal zu erzeugen, in dem das Nachrichtensignal mit einer Frequenz moduliert ist, die gleich der n-fachen Zwischenfrequenz ist.

Da die Frequenz des modulierten Zwischenfrequenzsignals mit einem Faktor n multipliziert wird, ist die demodulierte Bandbreite des Nachrichtensignals ebenfalls um einen Faktor n erhöht, ohne daß es nötig ist, die in dem FM-Empfänger benutzte Zwischenfrequenz zu ändern.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich, die lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Abbildungengegeben wird, worin

- Fig. 1, bereits beschrieben, ein Blockschaltbild eines FM-Empfängers gemäß dem Stand der Technik ist;

- Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines FM- Empfängers gemäß der Erfindung ist;

- Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines FM- Empfängers gemäß der Erfindung ist; und

- Fig. 4 das Blockschaltbild einer Variante der in dem FM-Empfänger gemäß der Erfindung verwendeten Überlagerungsstufe zeigt.

In Fig. 2 ist ein Funkempfänger 20 zum Empfang eines frequenzmodulierten Nachrichtensignals gezeigt. Er umfaßt eine Antenne 21, eine Hochfrequenzstufe (HF-Stufe) 22, einen Hilfsoszillator 23 und eine Überlagerungsstufe 24. Diese letztere enthält zwei Mischer 25 und 26, einen Phasenschieber 27 und eine Mischstufe für niedrige Frequenzen 28. Die Antenne 21 und die HF-Stufe 22 arbeiten in gleicher Weise wie die Antenne 2 und die HF-Stufe 3 des Empfängers 1: Von der Antenne 21 empfangene FM-Signale werden an die HF-Stufe 22 angelegt, die nur die frequenzmodulierten Nachrichtensignale hindurchläßt, die sich in der um die gewählte Trägerfrequenz fc zentrierten Bandbreite befinden. Wie zuvor beschrieben worden ist, liefert der Hilfsoszillator 23 ein Hilfsoszillationssignal fLO, das auf einen Wert eingestellt ist, der gleich der Trägerfrequenz fc ist, die mehr oder weniger der gewünschten Zwischenfrequenz fIF des Empfängers 1 entspricht.

Das Ausgangssignal des Hilfsoszillators 23 wird an den Phasenschieber 27 gegeben, der dessen Phase um 90º verschiebt. Dieses phasenverschobene Signal und das anfängliche Hilfsoszillationssignal besitzen demnach die gleiche Frequenz fLO, wobei sie jedoch um 90º Grad phasenverschoben sind.

Das ursprüngliche Hilfsoszillationssignal und das aus der HF-Stufe 22 kommende Signal werden im Mischer 25 multipliziert, um die modulierte Zwischenfrequenz des Empfängers 20 abzusenken. Das aus dem Phasenschieber 27 kommende Signal wird vom Mischer 26 mit dem aus der HF-Stufe 22 kommendem Signal multipliziert, so daß am Ausgang des Mischers das ausgewählte Nachrichtensignal in gleicher Weise ein Signal moduliert, das die Zwischenfrequenz fIF hat. Jedoch ist dieses vom Nachrichtensignal am Ausgang des Mischers 26 modulierte Signal gegenüber dem vom Nachrichtensignal modulierten Signal, das am Ausgang des Mischers 25 erscheint, um 90º phasenverschoben.

Die an den Ausgängen der beiden Mischer 23 und 24 auftretenden Signale haben also demnach die Form:

I(t) = cos[ωIFt + k tA(t)dt + Ω] (1) bzw.

Q(t) = cos[ωIFt + k tA(t)dt + Ω + π/2] (2),

wobei A(t) das gewählte Nachrichtensignal ist.

Außerdem enthält die Zwischenfrequenzstufe 24 Bandpaßfilter 29 und 30, die beide auf die Frequenz fIF abgestimmt sind, wie auch Verstärker/Begrenzer 31 und 32. Das Signal I(t) durchläuft das Bandpaßfilter 29, wobei jede amplitudenmodulierte (AM) Komponente aus diesem durch den Verstärker/Begrenzer 31 entfernt wird. Genauso durchläuft das Signal Q(t) das Bandpaßfilter 30, wobei jede amplitudenmodulierte Komponente aus diesem durch den Verstärker/Begrenzer 32 entfernt wird.

Aus den obigen Gleichungen (1) und (2) kann festgestellt werden, daß die Nulldurchgänge der Signale I(t) und Q(t) zu verschiedenen Zeitpunkten auftreten. Wenn

k tA(t)dt < < π/2

und Ω = 0, sind die Zeitpunkte der Nulldurchgänge durch die folgenden jeweiligen Gleichungen, in denen n eine positive ganze Zahl ist, gegeben:

tI=0 n/(2· IF) und tQ=0 » (n+1/2)/2· IF

Das heißt, daß sich die Nulldurchgänge des Signals Q(t) genau in der Mitte zwischen den Nulldurchgängen des Signals I(t) ereignen.

Wie zuvor beschrieben worden ist, ist die Bandbreite des Tonsignals der FM-Empfänger des in Fig. 1 vorgestellten Typs durch ihre Zwischenfrequenz be grenzt. In diesen Empfängern gemäß dem Stand der Technik erfolgt eine Rückfaltung des Spektrums, wenn die Frequenz des Nachrichtensignals A(t) die Hälfte der Zwischenfrequenz fIF übersteigt. Diese Beschränkung kann auch unter Bezugnahme auf einen analogen Abtastvorgang beschrieben werden, in dem die Zeitpunkte zum Abtasten des Nachrichtensignals A(t) durch die Nulldurchgänge des analogen frequenzmodulierten Zwischenfrequenzsignals bestimmt werden. Im Unterschied zu normalen Abtastvorgängen ist jedoch die aus den frequenzmodulierten Signalen zu gewinnende Information nicht in den Momentanwerten der abgetasteten Signalform, sondern in den Zeitpunkten, zu denen die Abtastungen vorgenommen wurden, enthalten.

Wenn jetzt zu Fig. 2 zurückgegangen wird, kann festgestellt werden, daß für jedes der Signale I(t) und Q(t) das Nachrichtensignal A(t) im Takt der Frequenz fIF abgetastet wird. Im Signal I(t) liegen jedoch die Zeitpunkte, zu denen das Nachrichtensignal A(t) abgetastet wird, genau in der Mitte zwischen denen, mit denen das Signal Q(t) abgetastet wird.

Der Mischer 28 kombiniert die Signale I(t) und Q(t) derart, daß an seinem Ausgang eine "überabgetastete" Version des aus dem Mischer 25 kommenden Signals entsteht. Das Nachrichtensignal A(t) wird demnach tatsächlich doppelt so schnell abgetastet wie die Zwischenfrequenz VIF, so daß die Frequenz des Nachrichtensignals A(t), für die eine Rückfaltung des Spektrums auftreten könnte, oder anders ausgedrückt die Bandbreite des demodulierten Nachrichtensignals verdoppelt werden. Der FM-Empfänger gemäß der Erfindung ist demnach in der Lage, mit einer Zwischenfrequenz von 70 kHz zu arbeiten und dabei die in den frequenzmodulierten Rundfunkprogrammen enthaltenen RDS-Signale, die auf einen Hilfsträger von 57 kHz aufmoduliert sind, zu demodulieren.

Eine Spektrenrückfaltung kann demzufolge nur auftreten, wenn das Nachrichtensignal A(t) eine Frequenz oberhalb der Zwischenfrequenz selbst besitzt, was der doppelten Verzerrungsgrenze der FM-Empfänger von 35 kHz gemäß dem Stand der Technik entspricht.

Der FM-Empfänger 20 enthält außerdem einen FM-Demodulator 33, einen Audioverstärker/Decodierer 34, eine Stufe 35 zur automatischen Frequenzhaltung und einen Lautsprecher 36. Der Demodulator 33 demoduliert das aus der Mischstufe 28 kommende Signal und kann verschiedenen Typs sein: mit Flankendetektion oder Detektion der Phasenverschiebung arbeitend, eine phasenverriegelte oder frequenzverriegelte Schleife oder jede andere für die FM-Demodulation geeignete Technik.

Das aus der Demodulatorstufe 33 kommende Signal wird durch den Verstärker/Decodierer 34 verstärkt und gelangt daraufhin zum Lautsprecher 36. Fig. 2 zeigt einen einfachen FM-Monoempfänger, es ist jedoch offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung ebenso auf FM-Stereoempfänger zutrifft, in denen der Verstärker/Decodierer, die Lautsprecher und die entsprechenden Filter dazu geeignet sind, ein Stereosignal zu verarbeiten und zu rekonstruieren. Außerdem ist klar, daß in weiteren Varianten der Erfindung die aus dem Demodulator 33 stammenden Signale nicht an einen Lautsprecher übertragen werden müssen, um dort in hörbarer Form rekonstruiert zu werden. Die aus der Demodulatorstufe 33 stammenden Signale können beispielsweise frequenzteilungsmultiplexierte Signale für telemetrische Anwendungen oder andere Anwendungen, in denen Nachrichtensignale übertragen werden müssen, sein.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (Fig. 3) umfaßt ein Empfänger 50 eine Antenne 21, eine HF-Stufe 22, einen Hilfsoszillator 25, eine Mischstufe 28, einen FM-Demodulator 33, einen Verstärker/Decodierer 34, eine AFC-Stufe 35 und einen Lautsprecher 36. In Funktion und Arbeitsweise gleichen diese Komponenten völlig den zuvor beschriebenen.

Der FM-Empfänger 50 umfaßt außerdem eine Überlagerungsstufe 51, die einen Mischer 52 und ein Bandpaßfilter 53, einen Phasenschieber 54 und Verstärker/Begrenzer 55 und 56 enthält. In dieser Ausführungsform multipliziert der Mischer 52 die aus dem Hilfsoszillator 25 und der HF-Stufe 22 kommenden Signale, um die Frequenz des Signals, das durch das Nachrichtensignal moduliert ist, auf die Zwischenfrequenz fIF abzusenken. Dieses IF-Signal durchläuft das Bandpaßfilter 53 und den Verstärker/Begrenzer 55 und wird dann an einen der Eingänge des Mischers 28 angelegt. Der Phasenschieber 54 erhält das IF-Signal vom Bandpaßfilter 53 ebenfalls und prägt ihm eine Phasenverschiebung von 90º auf. Das Ausgangssignal des Phasenschiebers 54 durchläuft den Verstärker/Begrenzer 56, bevor es an den anderen Eingang des Mischers 28 angelegt wird.

Wie zuvor enthalten die an die beiden Eingänge des Mischers 28 angelegten Signale das Nachrichtensignal, das mit der Zwischenfrequenz fIF moduliert ist, wobei zwischen beiden eine Phasenverschiebung von 90º besteht. Folglich wird das Nachrichtensignal am Ausgang des Mischers 28 mit einer Frequenz abgetastet, die der doppelten Zwischenfrequenz entspricht, wodurch die Band breite, die das demodulierte Nachrichtensignal zuvor hatte, verdoppelt wird. Infolgedessen kann der Empfänger 50 Nachrichtensignale demodulieren, deren Frequenz genauso hoch sein kann wie die Zwischenfrequenz fIF, ohne daß diese Zwischenfrequenz selbst erhöht werden müßte.

In den beiden soeben beschriebenen Ausführungsformen werden also zwei um 90º phasenverschobene Signale erzeugt, die mit der Zwischenfrequenz des Empfängers moduliert sind und dann derart kombiniert werden, daß das Nachrichtensignal mit der doppelten Zwischenfrequenz abgetastet wird. Die Nutzung der einen oder der anderen Ausführungsform wird von der angestrebten, speziellen Anwendung abhängen. Beispielsweise wird in einer Anwendung, in der ein geringer Energiebedarf keine wichtige Bedingung darstellt, vorzugsweise der FM-Empfänger 20 von Fig. 2 genutzt werden, der nach der HF-Stufe einen zusätzlichen Mischer enthält, was den Energieverbrauch des Empfängers erhöht. Wenn dagegen ein Empfänger mit geringem Energiebedarf zu realisieren ist, wird vorzugsweise ein Empfänger nach Fig. 3 mit einem Phasenschieber 54 verwendet, der mit niedrigeren Frequenzen arbeiten muß als der Phasenschieber 26 von Fig. 2, jedoch schwieriger umzusetzen ist.

In einer nochmals weiteren Ausführungsform kann der Phasenschieber 27 weggelassen werden und ein HF-Phasenschieber kann an die Stufe 22 gekoppelt werden, um die Phase des Ausgangssignals der HF-Stufe, die an einen der Mischer 25 oder 26 angelegt wird, um π/2 zu verschieben. Wenn die von den Mischern 25 und 26 erhaltenen Signale mit dem Hilfsoszillationssignal multipliziert werden, entstehen an ihren Ausgängen zwei Signale mit 90º Phasenverschiebung.

Die Fig. 2 und 3 wie auch die in dem vorhergehenden Absatz beschriebe Ausführungsformen stellen spezielle Beispiele eines allgemeineren Prinzips dar, das gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann, um in FM-Empfängern die Bandbreite des demodulierten Nachrichtensignals zu erhöhen. Die obenbeschriebenen Ausführungsformen nutzen nur zwei um 90º phasenverschobene Signale, in gleicher Weise könnten jedoch im FM-Empfänger n Signale a&sub1; ... an erzeugt werden, die gegeneinander um π/n phasenverschoben sind, wobei n eine ganze positive Zahl größer oder gleich 2 ist, wobei diese Signale untereinander in folgender Beziehung stehen:

ai(t) = cos[ωIFt + kf t(A)dt + Ω + πi/n]

worin ωIF, kf und Ω Konstanten sind und i jeden positiven ganzzahligen Wert kleiner oder gleich n annehmen kann.

Wird in diesem Ausdruck (ωIFt + kf tA(t)dt + Ω) durch φ ersetzt, ergibt sich:

a&sub1; = cos(φ + π/2) und a&sub2; = cos(φ + π) für n = 2

a&sub1; = cos(φ + π/3), a&sub2; = cos(φ + 2π/3) und a&sub3; = cos(φ + p) für n = 3

a&sub1; = cos(φ + π/4), a&sub2; = cos(φ + π/2), a&sub3; = cos(φ + 3π/4) und a&sub4; = cos(φ + π) für n = 4 usw.

Jedes Signal wird in einem Verstärker/Begrenzer bearbeitet, um jegliche Amplitudenmodulation zu beseitigen, wonach alle begrenzten Signale a&sub1; bis an miteinander multipliziert werden, um ein "überabgetastetes" analoges IF-Signal des Nachrichtensignals zu erhalten. Folglich wird für zwei Signale a&sub1; und a&sub2; das Nachrichtensignal mit der doppelten Zwischenfrequenz abgetastet, wobei die Signale eines nach dem anderen mit einer Phasenverschiebung von 7r/2 das Nachrichtensignal abtasten. Mit drei Signalen a&sub1;, a&sub2; und a&sub3; wird das Nachrichtensignal mit einer Frequenz abgetastet, die der dreifachen Zwischfrequenz entspricht, wobei die Signale eines nach dem anderen mit einer Phasenverschiebung von π/3 das Nachrichtensignal abtasten usw.

Die Bandbreite des demodulierten Nachrichtensignals wird dann entsprechend mit einem Faktor zwei, drei vier usw. erhöht.

Selbstverständlich müssen der FM-Demodulator und die übrigen Komponenten des FM-Empfängers in jedem Fall darauf eingestellt sein, die erhöhte Abtastfrequenz des Nachrichtensignals zu verarbeiten.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Überlagerungsstufe, in der drei gegeneinander um π/3 phasenverschobene Signale erzeugt werden, die anschließend miteinander multipliziert werden, um das "überabgetastete" Nachrichtensignal zu bilden. Eine IF-Stufe 60 umfaßt drei HF-Mischer 61, 62 und 63, drei Bandpaßfilter 64, 65 und 66, drei Verstärker/Begrenzer 67, 68 und 69, zwei Phasenschieber 70 und 71 und zwei weitere Mischer 72 und 73. Die HF-Stufe, der FM-Demodulator und die übrigen Komponenten des FM-Empfängers sind nicht dargestellt. Die Phasenschieber 70 und 71 bewirken eine Phasenverschiebung des Signals des Hilfsoszillator 23 von 60º bzw. 120º, so daß gemeinsam mit dem Hilfsoszillationssignal drei Signale erzielt werden, die alle drei die Frequenz des Hilfsoszillators haben, jedoch gegeneinander um 60º phasenverschoben sind. Diese drei Signale werden von den Mischern 61, 62 und 63 mit dem Signal der HF-Stufe multipliziert, so daß an ihren Ausgängen drei IF-Signale entstehen, die gegeneinander eine Phasenverschiebung von 60º besitzen.

Diese Signale laufen durch die Bandpaßfilter 64, 65 und 66 und werden in den Verstärkern/Begrenzern 67, 68 und 69 bearbeitet, um dann miteinander in zwei Schritten multipliziert zu werden. Zunächst werden die an den Ausgängen der Begrenzer 68 bzw. 69 erscheinenden Signale im Mischer 72 multipliziert. Dann wird das am Ausgang des Begrenzers 67 erscheinende Signal mit dem Ausgang des Mischers 72 im Mischer 73 multipliziert. So liefert der Ausgang des Mischers 73 ein Signal, in welchem das Nachrichtensignal mit der dreifachen Frequenz der Zwischenfrequenz fIF abgetastet ist. Nichtsdestoweniger ist offensichtlich, daß die Ausgangssignale der Begrenzer 67, 68 und 69 miteinander in einer anderen Art und Weise und in einer anderen Reihenfolge als der hier gerade gezeigten multipliziert werden können. In einer Variante kann beispielsweise ein Mischer mit mehreren Eingängen verwendet werden, um die Multiplikation der drei IF-Signale auf einmal auszuführen.

Es ist offensichtlich, daß in einem gegebenen FM-Empfängertyp die Signale nach der einen oder der anderen der in den Fig. 2, 3 oder 4 dargestellten Ausführungsformen oder auch nach einer Kombination dieser drei Ausführungsformen erzeugt werden können. Eines oder mehrere dieser Signale können auch durch eine Schaltung erzeugt werden, in der zwei oder mehrere Mischer verwendet werden, um das Hilfsoszillationssignal mit dem Signal der HF-Stufe zu multiplizieren, während Phasenschieber HF hinzugefügt werden, um das Signal der HF-Stufe, das an einen oder mehrere dieser Mischer angelegt wird, phasenzuverschieben. Beispielsweise können in dem Fall eines FM-Empfängers, der vier gegeneinander um π/2 phasenverschobene Signale nutzt, drei Phasenschieber vorgesehen werden, um das Hilfsoszillationssignal jeweils um 45º, 90º und 135º phasenzuverschieben. Es können auch nach der HF-Stufe vier Mischer vorgesehen werden, um das aus dieser HF-Stufe kommende Signal mit den drei Signalen zu multiplizieren, die aus den drei Phasenschiebern (wie auch das Hilfsoszillationssignal) kommen, um die vier Signale zu erzeugen.

Gemäß einer Variante kann ein einziger Mischer vorgesehen sein, um die Signale der HF-Stufe mit dem Hilfsoszillationssignal zu multiplizieren. Drei Phasenschieber können dazu vorgesehen werden, das Ausgangssignal des Mischers um 45º, 90º und 135º zu verschieben, wobei die an den Ausgängen dieser Phasenschieber erscheinenden Signale mit dem ursprünglichen Ausgangssignal des Mischers die vier phasenverschobenen Signale bilden.

In einer nochmals weiteren Variante kann ein einziger Phasenschieber verwendet werden, um das Hilfsoszillationssignal um 45º phasenzuverschieben. Zwei Mischer können dann vorgesehen werden, um das Signal der HF-Stufe mit dem aus dem Phasenschieber kommenden Signal bzw. mit dem ursprünglichen Hilfsoszillationssignal zu multiplizieren. In diesem Fall können zwei zusätzliche Phasenschieber vorgesehen werden, um die Ausgangssignale der Mischer um 90º zu verschieben, so daß die aus den Ausgängen dieser zusätzlichen Phasenschieber kommenden Signale mit den ursprünglichen Signalen der beiden Mischer die vier Signale bilden.

Es ist festzuhalten, daß die verschiedenen obenbeschriebenen Varianten auf FM-Empfänger mit n Signalen angewendet werden können und daß die Mischer und Phasenschieber hier nicht beschrieben worden sind, damit der Fachmann die Flexibilität in der Logik der Erfindung erfassen kann. Die Fig. 2 und 3 stellen Phasenschieber dar, die Phasenverschiebungen von π/2 bewirken und Fig. 4 zeigt Phasenschieber, die Phasenverschiebungen von π/3 und 2π/3 hervorrufen, jedoch können weitere Schaltungsvarianten den Aufbau von Phasenschiebern erfordern, die Phasenverschiebungen anderer Winkel bewirken, um die n Signale zu erzeugen, die ermöglichen, die "Überabtastung" des Nachrichtensignals zu erhalten.


Anspruch[de]

1. Funkempfänger zum Empfang eines vorgegebenen FM- Signals, in dem ein Nachrichtensignal A(t) die Frequenz eines Trägers moduliert, wobei dieser FM-Empfänger enthält:

- einen Hilfsoszillator (23), der dazu vorgesehen ist, ein Hilfsoszillationssignal zu erzeugen,

- eine Überlagerungsstufe (24) zum Mischen des vorgegebenen FM-Signals mit dem Signal vom Hilfsoszillator, um die modulierte Frequenz durch das Nachrichtensignal auf eine Zwischenfrequenz abzusenken, und

- eine Demodulatorstufe (33) zum Empfang des Ausgangssignals der Überlagerungsstufe und zum Extrahieren des Nachrichtensignals aus diesem, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerungsstufe enthält:

- einen Signalgenerator (25, 26, 27, 29, 30, 31, 32) zum Erzeugen von n Signalen a&sub1; ... an, wovon jedes das modulierte Nachrichtensignal mit der Zwischenfrequenz enthält, wobei die Signale a&sub1; ... an untereinander die folgende Beziehung besitzen:

ai = cos[ωIFt + kf tA(t)dt + Ω + πi/n]

in der ωIF, kf und Ω Konstanten sind, n eine positive ganze Zahl größer oder gleich 2 ist und i jeden positiven ganzzahligen Wert kleiner oder gleich n annehmen kann, wobei die Überlagerungsstufe außerdem enthält:

- einen Multiplizierer (28) zum Multiplizieren der n Signale miteinander, um ein Ausgangssignal der Überlagerungsstufe zu erzeugen, in dem das Nachrichtensignal mit einer Frequenz moduliert ist, die gleich der n-fachen Zwischenfrequenz ist.

2. Funkempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator wenigstens einen Phasenschieber (27) enthält, der dazu vorgesehen ist, die Phase des Hilfsoszillationssignals in der Weise zu verschieben, daß ein phasenverschobenes Signal erzeugt wird, und

- wenigstens zwei Mischer (25, 26), die dazu vorgesehen sind, jeweils das vorgegebene FM-Signal mit wenigstens einem phasenverschobenen Signal und mit dem Hilfsoszillationssignal zu multiplizieren, um wenigstens eines der n Signale zu erzeugen.

3. Funkempfänger nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator außerdem enthält:

- wenigstens einen Phasenschieber (54), der dazu vorgesehen ist, die Phase eines der n Signale in der Weise zu verschieben, daß ein anderes der n Signale erzeugt wird.

4. Funkempfänger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

der Generator außerdem enthält:

- wenigstens einen HF-Phasenschieber, der dazu vorgesehen ist, die Phase des vorgegebenen FM-Signals in der Weise zu verschieben, daß ein phasenverschobenes vorgegebenes FM-Signal erzeugt wird, und

- wenigstens zwei Mischer, die jeweils dazu vorgesehen sind, das Hilfsoszillationssignal mit einem vorgegebenen und phasenverschobenen FM-Signal und mit dem vorgegebenen FM-Signal zu multiplizieren, um wenigstens eines der n Signale zu erzeugen.

5. Funkempfänger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulatorstufe (33) auf eine Frequenz abgestimmt ist, die gleich der n- fachen Zwischenfrequenz ist.

6. Funkempfänger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerungsstufe außerdem n Begrenzer (31, 32) enthält, um aus den n Signalen jegliche Amplitudenmodulation zu beseitigen, bevor diese durch den Multiplizierer multipliziert werden.

7. Funkempfänger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerungsstufe wenigstens ein Filter (29, 30) enthält, durch das jeweils eines der n Signale geschickt wird.

8. Funkempfänger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß jedes der Filter auf die Zwischenfrequenz abgestimmt ist.

9. Funkempfänger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das FM-Signal ein Rundfunk-FM-Signal ist.







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