DE1809293A1

DE1809293A1 - Frequenzdiskriminator

Info

Publication number: DE1809293A1
Application number: DE19681809293
Authority: DE
Inventors: Teruaki Matsuura
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1967-12-01
Filing date: 1968-11-16
Publication date: 1969-07-17
Also published as: GB1214558A; US3569846A; DE1809293B2

Description

Frequenzdiskriminator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzdiskriminator mit konstantem Widerstand, bei dem 3 Blindwiderstände, zur Bildung einer Frequenzdiskriminatorschaltung kombiniert sind.

Fig. 1 zeigt ein typisches Beispiel für einen Frequenzdiskriminator nach dem Stande der Technik. Mit 1 ist eine Eingangsklemme bezeichnet, mit 2 eine Ausgangsklemme; 10 und 11 sind Gleichrichterschaltungen, 12 und 13 Parallelabs timmkreise. Ein Frequenzdiskriminator der in Fig. 1 dargestellten Art mit zwei Parallolabstimmkreisen 12 und 13, wie sie bislang benutzt wurden, ist nicht in der Lage, ein Telefonsignal zu demodulieren, das mehr als 96Ο in Prequenzvielfachtechnik übertragene Kanäle ent-

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hält. Zur Übertragung eines aus l800 Kanälen bestehenden Vielfach-Telefonsignals hat man bisher die Güte Q der beiden in ■ Pig.l dargestellten Parallelabstimmkreis.e herabgesetzt und gleichzeitig auf der Seite der Signalquelle einen weiteren Parallelabstimmkreis über einen Transistorverstärker angekoppelt, um einen Abfall in der Linearität der Demodulation auszugleichen, die im ■folgenden "differentielle Verstärkungskurve "genannt · wird.

Es is t dabei aber erforderlich, einen Hochleistungstransistor mit ausgezeichneten Übertragungseigenschaften bei hohen Frequenzen zu benutzen und dadurch die an die Diodengleichrichter X, und Xp angelegte Signal spannung zu erhöhen. Als Folge wird die Empfindlichkeit der Gleichrichtung gesteigert, um den durch die Erniedrigung der Güte Q der Parellelabstimmkreise hervorgerufenen Abfall der Empfindlichkeit der Demodulation auszugleichen. Selbst' angesichts der Erniedrigung der Güte Q der Paralielabstimmkreise kommt es zu einer erheblichen Zeitverzögerung gemäß einer nahezu quadratischen Funktion. Um die durch die Zeitverzögerung hervorgerufene Phasenverzerrung auszugleichen, muß -ein Phasenentzerrer· hinzugefügt werden. Diese Nachteile der üblichen Frequenzdiskriminatoren sind den Fachleuten wohlbekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu überwinden und einen neuen, verbesserten -Frequenzdiskriminator zu schaffen.

Ein solcher Frequenzdiskriminator muß über einen weiten Frequenzbereich eine ausgezeichnete differentielle Verstärkungskurve aufweisen, ohne daß dadurch die Empfindlichkeit der Demodulation beeinträchtigt wird.

Weiterhin soll ein Phasenentzerrer zum.Ausgleich der Phasenver- . zerrung dadurch entbehrlich sein, daß der Diskriminator über ein breites Frequenzband eine flache Verzögerungs zeitkurve besitzt, wie'dies später beschrieben werden wird. "

Schließlich soll der Frequenzdiskriminator, damit Echoverzerrungen auf ein Minimum herabgesetzt werden, mit einem Vierpol-Netz-

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werk konstanten Widerstandes ausgestattet sein.

Der Frequenzdiskriminator nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einem überbrückten T-Glied bestehender Vierpol konstanten Widerstandes vorgesehen ist, der sich aus zwei Widerständen des Wertes R , einem aus drei Blindwiderständen, von denen mindestens einer induktiv, der Rest kapazitiv ist, bestehenden Zweipol des Scheinwiderstandes Z„ und einem Zweipol eines Scheinwiderstandes Z, ,der zu dem Zweipol mit dem Scheinwiderstand Z in Bezug auf R reziprok ist, zusammensetzt, ferner a ο

ein weiterer, aus einem überbrückten T-Gled bestehender Vierpol konstanten Widerstandes, der sich aus zwei Widerständen des Wertes R , einem aus drei Blindwiderständen,' von denen mindestens einer induktiv, der Rest kapazitiv ist, bestehenden Zweipol des Schein-Widerstandes Z und einem Zweipol eines Scheinwiderstandes Z^, der zu dem Zweipol mit dem Scheinwiderstand Z, in Bezug auf R reziprok ist, zusammensetzt, daß die Eingänge der beiden Vierpole an eine gemeinsame Signalquelle über eine Abzweigschaltung angeschlossen sind, *deren Ausgangsscheinwiderstände an den Widerstandswert R angepaßt sind, und daß die Ausgänge der beiden Vierpole mit Gleichrichterschaltungen verbunden sind, deren Eingangsscheinwiderstände an den Widerstandswert R angepaßt sind.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen erläutert.

Pig. 1 ist das bereits besprochene Schaltbild eines Prequenzdiskriminators nach dem Stande der Technik,

Pig. 2 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Frequenzdiskriminators nach der Erfindung,

Pig. 3 ist ein Schaubild .für die Frequenzabhängigkeit des Verhältnisses der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Frequenzdiskriminatoren,

Fig. 4 ist ein auf die Trägerfrequenz zugeschnittenes Ersatzschaltbild für-den Diskriminator nach Fig.2.

Die Tabelle 1 gibt die Zweipol-Grundschaltungen Z_&, Z^, Z und Z, .

der Fig. 2 und die Scheinwiderstände· der Zweipole an.

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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform für einen Frequenzdiskriminator· nach der Erfindung. Ein an der Eingangsklemme 1 anliegendes Frequenzmodulationssignal (FM-Signal) wird durch eine Abzweig-' schaltung ¹J in zwei Signale aufgeteilt. Die Abzweigschaltung ist mit einem passiven oder einem aktiven Element ausgestattet.und weist einen an den Kennwiderstand R angepaßten Ausgangsscheinwiderstand auf. Die resultierenden Signale werden über Klemmen j5 und 5 Vierpolen 8 und 9 zugeführt, die aus überbrückten T-GIiLedern bestehen. Die Vierpole 8 und 9 enthalten Zweipol-Scheinwider-' stände Z_&) Z_fe, Z_Q und Z^, die ihrerseits jeweils aus 3 Blindwiderständen bestehen, von denen ein oder zwei induktiv sind, während der Rest kapazitiv ist. Der Scheinwiderstand Z. muß in Bezug auf R zu Z, reziprok sein. Das-gleiche gilt für Z und Z..

Die Ausgangsspannungen der Vierpole 8 und .9 werden über Klemmen 4 und 6 einer aus einem Diodengleichrichter X₁, einem Kondensator C. und einem Widerstand ¹¹R₁ bestehenden Gleichrichterschaltung beziehungsweise einer aus einem Diodengleichrichter X₂, einem ., · Kondensator CL und einem Widerstand R₂ bestehenden Gleichrichterschaltung 11 zugeführt, wo sie differenziell gleichgerichtet werden, um danach wieder zusammengefaßt zu werden. Die an der ' Ausgangsklemme 2 abnehmbare resultierende Ausgangs spannung ist das deniodu2lerte Signal. Die Pig. j5 zeigt, .das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung in. Abhängigkeit vom Fre- ' quenzgang für die beiden in den Fig. 1 und 2 dargestellten Frequenzdlskriminatoren im Vergleich zueinander. Die gestrichelte Kurve stellt die Kennlinie des Frequenzdiskriminators nach Fig. 1 dar, diö ausgezogene Kurve diejenige des Frequenzdiskri- · minators gemäß der Erfindung nach Fig. 2. Es sei angenommen, daß bei dem Frequenzdiskriminator der Flg. 1 die Resonanz-Kreis-

frequenz des Parallelabstimmkrei-ses 12 U)\ ist, und diejenige .'■■ * ■ · *■ ' ,

des Parallelabstimmkreises 13 Cup· Dann liegt das Maximum der Ausgangsspannung der Gleiohrichterschaltung 10 bei Qj. , und die Ausgangsspannung wird auf 0 zurückgehen, wenn die Kreisfrequenz d) ■ 0 oder unendjich wird. Das Maximum der Ausgangsspannung der . Detektorsohaltung.il liegt bei ώ ₂j die Ausgangsspannung wird 0, •w'enn die Kreisfrequenz fi) 0 oder unendlich wird. Demgegenüber

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macht es der Frequenzdiskriminator nach der Erfindung möglich, der Ausgangsspannung der Detektorschaltung 10 bei der Kreisfre-. quenz CU^ ein Maximum und bei OJ₁^ ein Minimum zu geben. Auch die Ausgangsspannung der Detektorschaltung 11 kann bei CJ. zu 0 gemacht werden, und bei CO₀ kann ihr ein Maximum gegeben werden. Durch die Erfindung ist also ein Breitband-Frequenzdiskriminator hoher Demodulationsempfindlichkeit geschaffen.

Die differentielle Verstärkungskurve und die Zeitverzögerungskurve des Frequenzdiskriminators nach Fig'. 2 sollen nun anhand des in Fig. 4 dargestellten Ersatzschaltbildes· näher untersucht werden. Es sei unterstellt, daß die von den Klemmen 4 und 6 gesehenen Scheinwiderstände der Gleichrichterschaltungen 10 und 11 an· R angepaßt sind. Daher sind in Fig. 4 die Gleichrichterschaltungen 10 und 11 durch den Widerstandswert R_Q ersetzt. Die anderen Symbole und Bezugszeichen der Fig. 4 gleichen denen der Fig.2.

Bezeichnet man die Vierpol-Konstanten eines aus einem überbrückten.. T-GHed bestehenden Vierpoles 8 von Fig. 4 mit A, B, C, und D/ dann ist bekanntlich die Beziehung zwischen den Spannungen E₁, . Ep und den Strömen I, und Ip durch folgende Gleichung ausgedrückt U

ΕΛ fk B\ . /E

"I/

Das Verhältnis S zwischen der Ausgangsspannung Ep und der Eingangsspannung E₁ ist, wenn der aus einem überbrückten T-Glied bestehende Vierpol 8 durch den Widerstand R abgeschlossen ist, ausgedrückt durch

S = fg. _ 1 /μ

TT ~ "R VW

1 A+ _R O

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Wie in der Tabelle 5.1 auf S. 8? des Bundes 1 des Buches "Transmission Networks" - überarbeitete Ausgabe/ gemeinsam verfaßt von Nagai und Kamiya_ (veröffentlicht von C'orona-sha), zu entnehmen ist, ,gelten die folgenden Beziehungen:

λ , , Za

⁺ 2.(Zb+Ro)

Ro(Za+2Ro) 2(Zb+Ro)

Setzt man Gleichungen J> und ^ in Gleichung 2 ein, so erhält man

^D ~ Za+Zb+2Ro

Wenn die Zweipol-Scheinwiderstände Za., Zb, Zc, Zd und Ro die aus überbrückten T-Gliedern bestehenden Vierpole 8 und 9*, so befriedigen diese Scheinwiderstände die folgenden Gleichungen:.

Za * Zb = Ro² . (6)

Zc * Zd = Ro² . ' (7)

MitfSJ kann die-Gleichung (5) vereinfacht werden zu

Es sei nun unterstellt, daß der Scheinwiderstand Z,, (Tabelle 1: Schaltung in der-ersten Zeile der ersten Spalte) als Zweipol-Scheinwiderstand Z„ verwendet wird, und-,Z_{1 o}(Tabelle l) als Zweipol-

a χ if.

Scheinwiderstand Z^. lim das Verständnis zu erleichtern, sei weiterhin angenommen, daß.das Verhältnis S der AusgangsSpannung zur Eingangsspannung des aus. einem überbrückten T-G"Bed bestehenden Vierpols 8 durch S₁ (jx) ausgedrückt ist, · -

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'■ - 7 - - . Dann ergibt sich . ■. .

i Θ (ix) (q)

ι -

11

Eine differentielle Verstärkungskurve DG₁(X) kann durch Differentiation der Gleichung (11) nach der veränderlichen χ erlangt werden. In ähnlicher Weise kann eine Zeitverzögerungs-Kurve ?\ (x) durch Differanfiation der'Gleichung (12) nach einer Kreisfrequenz Q in der folgenden- Weise, erhalten werdeni

-^ I S₁(Jx)I = iHü · ^- J S₁(J_x

Daher ergibt sich

χ²)² (ι + Y_n ²)|-

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Q₁₁ ' .1 + (1 - J*) x² + fe

I

^Mi (1 - x^dr

Wenn nun ein Scheinwiderstand. Zp,, wie. er in der zweiten Zeile . .· der ersten Spalte der Tabelle·1 dargestellt ist, als Scheinwiderstand Zc des aus einem überbrückten T-Glied bestehenden Vierpols 9 verwendet wird, und Zp₂ als Z, für den Vierpol 9, dann läßt sich das Verhältnis Sp (jx) der Ausgangsspannung E|, zur Eingangsspan- · nung E^ in der vorangegangenen .Weise durch folgende Gleichung ausdrücken: .

= I S₂(Jx)I · ζ JO₂(Jx)

₂ ζ ₂

^S2'

⁺ -V

O₂(Jx) = - tan"¹ Y₂₁ - : · (2o)

Daraus ergeben sich die differentielle Verstärkungskurve DG₂(x) und die Zeitverzögerungs-Kurve ^₂fx) ^{des aus einem} überbrückten T-Glie'd bestehenden Vierpols 9 wie folgt:

η η

90 9 8 29/1 0 3 2,

*■ 2

Τ U) - -.3LL- ' — — 1 (22)

² _: ^l (1 - x²)² · 1 +Y₂₁ ²

Somit lassen sich die differentielle Verstärkungs-Summenkurve DG(x) und die Zeitverzögerungs-Summenkurve (x) des Frequenzdiskriminators aus den Kurven für die beiden Zweige ermitteln.

Wenn die Phasendifferenz- zwischen den Ausgangs-Demodulationsspannungen jedes Zweiges ungefähr Ί8Ό° beträgt, so ergibt sich aus der Differenz zwischen DG₁Cx) u'nd DG₂(x) die Summe DG(x). Sind andererseits die Amplituden der Ausgangs-Demodulationsspannungen der beiden Zweige einander nahezu gleich, so ergibt sich die Phasen-Summenkurve· als arithmetisches Mittel aus ^₁(Jx) und $₂(jx). Demgemäß ergibt der arithmetische Mittelwert VOn^₁(X) und ^p(x) die Summe ^(x). Dies zeigen folgende Beziehungen:

DG(x)"= DG₁ (x) - DG₀(x)

τι τι

²\² ²I

" . ^; (1 + Y₁₁ )2 (1 ■+

(ι-²)² ^^

' (24)

Wenn man in den Gleichungen (25) und (24) η = 5, Q₁₁= 1.3 Q =4.7 setzt und diese Beziehungen auf einen Frequenzdiskrimina-

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tor eines Mikrowellen-Verstärker-Systems mit Frequenzmodulation und. Frequenzvielfach anwendet, dann beträgt bei einer Bandbreite, von 70 - lj5MHz die Abweichung der resultierenden Kurve der differentiellen Verstärkung weniger als 1% und diejenige der Kurve der Verzögerungszeit nur etwa 0.5ns. Der Frequenzdiskriminator nach der Erfindung erfordert keinen. Phasenentzerrer, der Phasenverzerrungen ausgleichen müßte. Infolge dieser Vorteile erweist .sich der Frequenzdiskriminator nach der Erfindung als hervorragend für die Anwendung zur Demodulation eines frequenz- · modulierten Frequenzvielfach-Telefonsignals.

Die Erfindung ist nur-im Zusammenhang mit den aus überbrückten TWGliedern bestehenden Vierpolen 3 und 9 erläutert worden, di'e- ' -

Zb,
aus Zweipol-Netzwerken Za/bezienungsweise Zc, Zd bestehen, die'* ihrerseits drei Blindwiderstände umfassen. Anstelle dieser Zwei-· pole können jedoch auch Zweipole verwendet werden, die aus mehr^: als drei Blindwiderständen bestehen, z.B. aus zwei Induktivitäten und zwei Kapazitäten. Die Kennlinien, die man mit Zweipolen der letztgenannten Art erhält, gleichen den in Fig. ·3> ausgezogenen Kurven. Ein Frequenzdiskriminator mit Zweipolen der.zuletzt beschriebenen Art ist also hinsichtlich der Linearität über ein •breites Frequenzband genauso hervorragend. Ein solcher Frequenzdiskriminator erfordert aber eine, komplizierte Schaltungskonfiguration und komplizierte Justierungen. Er ist für praktischen Einsatz daher nicht geeignet.

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Claims

Patentanspruch

■ Frequenzdiskriminator, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einem überbrückten T-Glied bestehender Vierpol (8) konstanten Widerstandes vorgesehen ist, der sich aus zwei Widerständen des Wertes R , einem aus drei Blindwiderständen, von denen mindestens einer induktiv, der Rest kapazitiv ist, bestehenden Zweipol des Scheinwiderstandes Z und einem Zweipol eines Scheinwiderstandes Z, , a , υ.

der zu. dem Zweipol mit dem Scheinwiderstand Z_& in Bezug auf R_Q reziprok ist, zusammensetzt, ferner ein weiterer, aus einem überbrückten T-Glied bestehenden Vierpol- (9) konstanten Wiederstandes, der sich aus zwei Widerständen des Wertes R , einem aus drei Blindwiderständen, von denen mindestens einer induktiv, der Rest kapazitiv ist, bestehenden Zweipol des Scheinwiderstandes Z und

einem Zweipol eines Scheinwiderstandes Z,, der zu den Zweipol mit dem Scheinwiderstand Z, in Bezug auf R reziprok ist, zusammensetzt, daß die Eingänge der beiden Vierpole (8 bzw. 9) an eine gemeinsame Signalquelle über eine Abzweigschaltung (7) angeschlossen sind, deren Ausgangsscheinwiderstände an den Widerstandswert R angepaßt sind, und daß die Ausgänge der beiden Vierpole mit ' Gleichrichterschaltungen (Io bzw.¹Il) verbunden sind, deren' Eingangsscheinwiderstände an den Widerstandswert R angepaßt sind.

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