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Dokumentenidentifikation DE4440113A1 15.05.1996
Titel Einrichtung zum Empfang amplitudengestasteter VHF/UHF-Hochfrequenzsignale
Anmelder Gerstlauer, Johannes M., Prof. Dr.-Ing., 70619 Stuttgart, DE
Erfinder Gerstlauer, Johannes M., Prof. Dr.-Ing., 70619 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 11.11.1994
DE-Aktenzeichen 4440113
Offenlegungstag 15.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse H03D 1/02
IPC-Nebenklasse H04B 1/22   
Zusammenfassung Eine Einrichtung zum Empfang amplitudengetasteter Hochfrequenzsignale wird beschrieben. Die Einrichtung arbeitet ohne Frequenzumsetzung im Geradeausbetrieb und verwendet zur Gewinnung eines der Tasthülle des Empfangssignals entsprechenden Basisbandsignals die nichtlineare Kennlinie wenigstens eines Halbleiterbauelements.
Erfindungsgemäß wird die Empfindlichkeit eines Geradeausempfängers bis in den Bereich der oben angegebenen Grenzempfindlichkeit verbessert, indem ein bei sehr kleinen Pegeln - nämlich bei Pegeln auch kleiner als -60 dBm - arbeitender Demodulator zur Anwendung gelangt. Dazu wird eine nichtlineare Kennlinie wenigstens eines Halbleiterbauelements mit dem entsprechenden Hochfrequenz-Empfangssignal sehr geringen Pegels beaufschlagt und dann auf der tastfrequenten Basisbandebene verstärkt.
Die erfindungsgemäße Einrichtung erlaubt den Bau kleiner und kostengünstiger Empfänger für amplitudengetastete Hochfrequenzsignale in einem weiten Frequenzbereich mit sehr hoher Empfindlichkeit.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Empfang amplitudengetasteter Hochfrequenzsignale nach der Gattung des Anspruchs 1.

Die DE 41 11 097 A1 beschreibt eine Empfangsschaltung für ein impulsmoduliertes Hochfrequenzsignal. Sie umfaßt einen auf die Trägerwelle abgestimmten Antennenkreis, diesem direkt nachfolgend einen Demodulator, dessen wesentliches Element ein zweipolig geschalteter Transistor ist, dessen Nichtlinearität des Überganges zwischen seiner Basis-Emitter-Strecke durch Verzerrung ein Signal mit der Frequenz des Moduliersignals erzeugt.

Diese bekannte Empfangsschaltung weist den gravierenden Nachteil eines relativ schlechten Rauschverhaltens und eines schlechten Demodulationswirkungsgrades bei hohen Frequenzen auf.

Aus der EP 201 061 A2 ist des weiteren ein Empfänger für amplitudengetastete Hochfrequenzsignale in Form von Zeitzeichensignalen bekannt. Er weist einen abgestimmten Antennenkreis, einen nachfolgenden Regelverstärker, ein Filter, einen Nachverstärker und einen diesem nachfolgenden Gleichrichter auf. Dabei wird die dem Regelverstärker zugeführte Regelspannung aus der Differenz des Signals des Gleichrichters und des Signals einer Referenzspannungsquelle gebildet und durch einen Speicherkondensator zeitlich gemittelt. Der Demodulator in dieser Schaltung wird z. B. bei einem üblichen Pegel von etwa -10 dBm betrieben.

Empfindliche Geradeausempfänger dieser Art sind im VHF/UHF-Bereich nach diesem konventionellen Schema nur sehr eingeschränkt möglich, denn aufgrund der vielfältigen Streurückwirkungen innerhalb der bauteileanzahlmäßig räumlich ausgedehnten Schaltung ergeben sich schwer beherrschbare Stabilitätsprobleme (Schwingneigung). Angesichts einer insoweit bei VHF/UHF-Frequenzen noch kostengünstig realisierbaren Geradeausverstärkung von etwa +50 dB und eines üblichen Demodulationspegels von -10 dBm ist auf diese Weise eine Eingangsempfindlichkeit von typisch allenfalls -60 dBm (bei einer Bandbreite von 1kHz im tastfrequenten Basisband) kostengünstig realisierbar, während die theoretische Grenzempfindlichkeit von ca. -120 dBm sehr weit davon entfernt liegt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Empfang amplitudengetasteter Hochfrequenzsignale nach der Gattung des Anspruchs 1 anzugeben, die es erlaubt, einfache und konstengünstige Empfänger für amplitudengetastete Hochfrequenzsignale in diesem Frequenzbereich mit hoher Eingangsempfindlichkeit zu realisieren.

Erfindungsgemäß wird die Empfindlichkeit eines Geradeausempfängers bis in den Bereich der oben angegebenen Grenzempfindlichkeit verbessert, indem ein bei sehr kleinen Pegeln arbeitender Demodulator zur Anwendung gelangt. Dazu wird eine nichtlineare Kennlinie wenigstens eines Halbleiterbauelements mit dem entsprechenden Empfangssignal sehr geringen Pegels beaufschlagt und dann auf der tastfrequenten Basisbandebene verstärkt. Beispielhaft wird hierfür ein als Kleinsignal-Verstärker geschalteter und betriebener Transistor vorgeschlagen, an dessen nichtlinearer Eingangskennlinie die Demodulation erfolgt und in dem das niederfrequente Demodulationssignal gleich weiterverstärkt wird. Dabei wird durch eine besondere Beschaltung ein Kurzschluß der ins tastfrequente Basisband fallenden Rauschanteile über der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T bewirkt. Durch den Kurzschluß insbesondere der frequenzreziprok ansteigenden Funkelrauschanteile wird somit eine entscheidende Verbesserung der Grenzempfindlichkeit des Geradeaus- Demodulators erreicht.

Gemäß unteransprüchlicher Fortbildung ist auch eine mehr oder weniger starke Trennung bzw. Verteilung von Demodulation und Verstärkung in/auf zwei Halbleiterbauelemente möglich, die jedoch bezüglich der Einstellung ihres Arbeitspunktes unmittelbar zusammenwirken und insoweit galvanisch miteinander verbunden sind.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig. 3 das Blockschaltbild eines Geradeausempfängers nach dem Stande der Technik.

Fig. 3 veranschaulicht zunächst das Blockschaltbild des herkömmlichen Aufbaues eines Geradeausempfängers für amplitudengetastete Hochfrequenzsignale. Dabei kennzeichnet 1 ein eingangsseitiges Bandpaßfilter, 2 den ungezeigtermaßen ggfs. auch geregelten Signalverstärker auf einen Demodulationspegel von beispielsweise ca. -10 dBm, 3 den hiermit gespeisten Demodulator als eigentliche Nutzsignalgewinnungsstufe und 4 einen Nachverstärker für das demodulierte Basisband.

Gemäß Fig. 1 besteht die Einrichtung zur Demodulation kleiner amplitudengetasteter Hochfrequenzsignale beispielsweise aus einem Transistor T mit wenigstens mittelbar an Masse 4 liegenden Emitter, wohingegen der Kollektor über eine Arbeitsimpedanz, beispielsweise einen Widerstand R&sub2;, an der Versorgungsspannung Ub liegt. Die Basis des Transistors T ist über eine Induktivität L und einen Vorspannungswiderstand R&sub1; mit dem Kollektor des Transistors T verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen Induktivität L und Vorspannungswiderstand R&sub1; liegt über eine Kapazität C&sub3; an Masse 4. Über eine Kapazität C&sub1; ist der Basis des Transistors T die amplitudengetastete Empfangsspannung UHF zuführbar. Eine weitere Kapazität C&sub2; ist zwischen Kollektor und Masse 4 geschaltet. Der Kollektor stellt den Tastsignalausgang dar.

die Schaltung funktioniert wie folgt. Vom Kollektor wird die Basis über R&sub1; mit einem Vorstrom beaufschlagt, so daß der Transistor T in einem Bereich geeigneter Nichtlinearität eingangsseitig ansteuerbar ist. Die Induktivität L und die Kapazität C&sub3; dienen der HF-Entkopplung des Vorspannungspfades; durch die Kapazität C&sub3; wird die Empfangsspannung zwischen Basis und Emitter des Transistors T voll wirksam. Die Empfangsspannung UHF wird der Basis zugeführt und an der nichtlinearen Eingangskennlinie des Transistors demoduliert. In Verbindung mit der Arbeitsimpedanz R&sub2; und dem Ausgangswiderstand des Transistors T bildet der Kondensator C&sub2; einen Tiefpaß, der die hochfrequente Trägerkomponente des Empfangssignals ausgangsseitig sperrt und am Kollektor des Transistors im wesentlichen nur das intern verstärkte Hüllkurvensignal im tastfrequenten Basisband abnehmen läßt.

Die Kapazität C&sub3; und die Induktivität L sind des weiteren vorteilhaft so aufeinander abgestimmt, daß sie einen Kurzschluß der ins Basisband fallenden Rauschanteile über der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T bewirken. Durch den Kurzschluß insbesondere der frequenzreziprok ansteigenden Funkelrauschanteile wird hierdurch eine entscheidende Verbesserung der Grenzempfindlichkeit des Demodulators erreicht. Bezogen auf 1 KHz Bandbreite im tastfrequenten Basisband liegt sie bei ca. -80 dBm.

Im fortgebildeten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist zwischen den Verbindungspunkt zwischen der Eingangskoppelkapzität C&sub1; und der Basis des Transistors T ein Hüllkurvengleichrichter geschaltet, der aus einer vom Basisvorstrom des Transistors T durchflossenen Seriendiode D und - parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors T liegend - einer Kapazität C&sub3; und einem weiteren Widerstand R&sub3; besteht. Im übrigen entspricht die Schaltung der in Fig. 1.

Die Schaltung funktioniert wie folgt. Die Vorstromerzeugung und dessen HF-Entkopplung entspricht der Beschreibung gemäß Fig. 2. Der Basisvorstrom des Transistors T, der zugleich mit dem Strom über R&sub3; durch die Diode D fließt, bewirkt, daß diese im Kennlinienbereich ihres Flußspannungseinsatzes betrieben wird, der besonders stark gekrümmt ist.

Dadurch demoduliert sie auch sehr kleine hochfrequente Signalspannungen und baut an der RC-Kombination R&sub3;/C&sub3; eine Wechselspannung auf, die der Hüllspannung der amplitudengetasteten Hochfrequenz-Eingangsspannung UHF entspricht. Der Transistor T verstärkt dieses Signal im Basisband und stellt an seinem Kollektor somit das verstärkte Tastsignal bereit, wobei die Tiefpaßfunktion an seinem Ausgang unverändert gegenüber der gemäß Fig. 2 wirksam ist. Über die Wahl des Widerstandes R&sub3; ist das für optimale Rauschanpassung erforderliche Verhältnis von Diodenstrom zu Basisstrom realisierbar. Dadurch kann auch hier eine Absenkung des Funkelrauschens erreicht und eine hohe Grenzempfindlichkeit des Demodulators erzielt werden.

Insgesamt ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wegen der ein- und ausgangsseitigen hochfrequenten Filterung am Transistor T eine höhere Unterdrückung hochfrequenter Trägeranteile am Kollektor des Transistors T erreichbar. Wesentlich bei dieser Schaltung ist, daß die Gleichrichterdiode D über die zur Vorstromeinstellung des Transistors T benötigten Elemente R&sub1;, L und R&sub3; keiner weiteren Elemente zu ihrer Ruhestromversorgung bedarf.

Eine dem Verstärker 2 in der Fig. 3 entsprechende Verstärkerstufe im Basisband, eine oder mehrere dem Verstärker 2 entsprechende Signalverstärker sowie eine oder mehrere dem Bandpaßfilter 1 entsprechende Selektionsstufen in jeweils zweckmäßiger Reihenfolge sind bei den in den vorgenannten Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen der Einfachheit halber weggelassen, da sie in bekannter Weise mit herkömmlichen Mitteln realisierbar sind.

Der Rahmen der Erfindung wird nicht verlassen, wenn anstelle des hier zugrunde gelegten bipolaren NPN-Transistors ein solcher in PNP-Ausführung oder aber ein Feldeffekttransistor (FET) oder ein anderes Verstärkerbauteil auf Halbleiterbasis verwendet wird, dessen gekrümmte Eingangskennlinie erfindungsgemäß ausgenutzt wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Einrichtung zum Empfang amplitudengetasteter Hochfrequenzsignale, die ohne Frequenzumsetzung im Geradeausbetrieb arbeitet und zur Gewinnung eines der Tasthülle des Empfangssignals entsprechenden Basisbandsignals die nichtlineare Kennlinie wenigstens eines Halbleiterbauelements verwendet, dadurch gekennzeichnet,

    - daß die Kennlinie mit einem Hochfrequenz-Empfangssignalpegel ab kleiner als -60 dBm, bezogen auf eine Basisbandbreite von 1 kHz, beaufschlagt wird.
  2. 2. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    - daß es sich bei der wirksamen nichtlinearen Kennlinie um wenigstens die einer Diode, eines bipolaren Transistors oder eines Feldeffekt-Transistors handelt.
  3. 3. Einrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

    - daß sie als relevante Kennlinie die eines bipolaren Transistors oder Feldeffekt-Transistors benutzt, wobei das tastfrequente Basisbandsignal am Kollektor bzw. Drain-Anschluß des Transistors abnehmbar ist.
  4. 4. Einrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

    - daß der Eingang des Transistors mit Mitteln beschaltet ist, die den Eingang des Transistors für die in das tastfrequente Basisband fallenden Rauschkomponenten kurzschließen.






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