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1. WO1989006074 - PROCEDE ET CIRCUIT DE COMMUTATION DE SIGNAUX DE HAUTE FREQUENCE A MODULATION DE FREQUENCE

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[ DE ]

Verfahren und Schal tungsanordnungen zum Umschalten zwischen
frequenzmodulierten Hochfrequenzsignalen

Die Erfindung betrifft Verfahren und Schaltungsanordnungen zu m
Umschalten zwischen frequenzmodulierten Hochfrequenzsignalen.

Die Umschaltung zwischen frequenzmodulierten Hochfrequenzsignalen ist beispielsweise bei Empfangs-Antennensystemen mit mehreren einzelnen Empfangsantennen erforderlich. Empfangs-Antennensysteme dieser Art mit Umschaltung zwischen frequenzmodulierten Hochfrequenzsignalen sind beispielsweise aus "Fuπkschau" 1986, Heft 24, Seiten 43 bis 46 bekannt und in den älteren deutschen Patentanmeldungen P 37 37 011 und P 37 36 969 derselben Anmelderin beschrieben. Bei den auch unter der Bezeichnung Diversity-Anlagen bekannten Systemen wird je nach der Qualität der von den einzelnen Antennen empfangenen Signalen zwischen den einzelnen Signalen ständig umgeschaltet, um Empfangsstörungen, die auf die Mehrwegeausbreitung der Signale zurückzuführen sind, in bekannter Weise zu verringern. Ein weiteres Beispiel, bei dem die Umschaltung zwischen frequenzmodulierten Hochfrequenzsignalen auftritt, sind phasengesteuerte Empfangs-Antennenanlagen, sogenannte Phased-Array-Systeme, wie sie beispielsweise aus "Antennentechnik", Hock, Pauli et al, Expert-Verlag 1982, z.B. Seiten 82 ff., bekannt sind.

Bei Umschaltung zwischen amplitudenmodulierten Signalen treten Umschalt-Störsignale hauptsächlich durch die damit verbundenen Amplituden- oder Pegelsprünge auf. Bei frequenzmodulierten Systemen entstehen Störsignale insbesondere durch die bei der Sigπalumschaltung auftretenden Phasensprünge. Derartige Störsignale führen zu Knackgeräuschen, die im Falle von Tonrundfunk-Empfangssystemen insbesondere dann zu einer erheblichen Beeinträchtigung des Hörgenusses führen, wenn diese häufig auftreten, was bei den zuvor als Beispiel genannten Diversity-und phasengesteuerten Antennensystemen der Fall ist, da das Umschalten bei starker Mehrwegestörung, z.B. in Städten, sehr häufig auftritt.

Derartige Störungen durch die Verwendung von geeigneten Filtern oder Begrenzern zu verringern, ist jedoch praktisch nicht möglich, da diese Störungen im Nutzsignalbereich des frequenzmodulierten Signals liegen. Das hörbare Knackgeräusch im Lautsprecher ist dadurch nicht zu unterbinden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Schaltungsanordnungen anzugeben bzw. zu schaffen, mit denen Störungen, die bei der Umschaltung zwischen frequenzmodulierten Signalen auftreten, unterdrückt und insbesondere die sich dadurch ergebenden Knackgeräusche beim UKW-Rundfunkempfang eliminiert werden.

Ausgehend von einem Verfahren zum Umschalten zwischen frequenzmodulierten Hochfrequenzsignalen wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Hochfrequenzsignal während des Umschaltens in seiner Amolitude abgesenkt wird.

in Fig. 1a ist der Phasensprung eines Hochfrequenzsignals aus der Phasenlage +ℓ in die Phasenlage -ℓ, d.h. aus der Zeigerstellung A in die Zeigerstellung B in einem Vektordiagramm schematisch dargestellt . Wie Fig. lb zeigt, kann der Ausgangszeiger A auch als Summe eines konstanten Signalvektors SK und eines Sprungsignalvektors SSP dargestellt werden. Ein Phasensprung kann dann dadurch beschrieben werden, daß der Sprungsignalvektor SSP um 180° springt, der Konstantsignalvektor SK sich jedoch nicht ändert.

Der Konstantεignalvektor SK und der Sprungsignalvektor SSP stehen jeweils senkrecht aufeinander und sind daher für die weitere Betrachtung als voneinander unabhängig anzusehen. Insbesondere kann das Übertragungsverhalten der durch die beiden Vektoren dargestellten Signale in frequenzabhängigen Schaltungsanordnungen, wie Filtern usw., getrennt voneinander betrachtet werden. Das dem Konstant-Signalvektor SK entsprechende konstante Signal wird beispielsweise innerhalb des Durchlaßbereichs eines Filters unverändert übertragen. Dies ist jedoch für das dem Sprungsignalvektor SSP entsprechende Sprungsignal nicht der Fall . Das Sprungsignal SSP enthält ein Spektrum von Oberwellen, wobei das Filter die Zahl der Oberwellen des Sprungsignais Sςp am Ausgang begrenzt. Das bedeutet, daß die Flanken des Sprungsignals flacher wer den. In Fig. 2a ist der ideale Phasenverlauf des Sprungsignals SSP von Phasenlage + ℓnach - ℓ dargestellt, während in Fig. 2b das Sprungsignal SSP dargestellt ist, nachdem es frequenzabhängige Schaltungsanordnungen, beispielsweise ein Filter, durchlaufen hat. Das frequenzabhängige System hat die Flankensteilheit des Sprungsignals SSP verringert.

Für nicht allzu große Winkel entspricht der Phasenverlauf y(t) dem Kurvenverlauf des Sprungsignals SSP, d.h. es gilt



Tür kleine Winkel ist angenähert



In einem Tonrundfunkdemodulator für frequenzmodulierte Signale wird- dieses Signal differenziert, und es ergibt sich das Demodulatorausgangssignal



Wie der Beziehung (3) zu entnehmen ist, ist die Ausgangsspannung u(t) und damit die ihr entsprechende Frequenz f(t) proportional der Steigung des Spungssignals SSP (t). Dieser Verlauf wird durch einen bandbegrenzten Dirac-Stoß beschrieben.

Dieses durch den Phasensprung entstehende Störsignal, das aufgrund einer relativ großen Amplitude ein hörbares Knacken im Lautsprecher verursacht, liegt, wie bereits erwähnt wurde, weitgehend im Nutzsignalbereich, so daß es durch Filterung und Begrenzung nicht entfernt werden kann.

Gemäß der erfinderischen Maßnahme wird das durch den Phasensprung bei Signalumschaltung entstehende Störsignal dadurch eliminiert bzw. verkleinert, daß der Pegel des Gesamtsignals während des Umschaltvorgangs abgesenkt wird. Diese Pegelverringerung entspricht einer zusätzlichen Modulation des durch den Konstantsigπalvektor SK in Fig. 1b dargestellten ursprünglich konstanten Signalanteils. Die Hüllkurve des HF-Signals nach Absenken des Gesamtsignalpegels ist in Fig. 2c dargestellt. Die Flankensteilheit im abgesenkten Signal ist σurch die Bandbegrenzung ebenfalls begrenzt. Wegen der Beziehung (2) ergibt sich auf Grund dieser Amplitudenabsenkung nunmehr ein wesentlich steilerer Phasenverlauf, wie er in Fig. 2d dargestellt ist. Da - wie gesagt -die Ausgangsspannung u(t), die der Frequenz f(t) entspricht, gemäß der Beziehung (3) proportional der Steigung des Phasenverlaufs des abgesenkten Signals ist, ergibt sich wegen des in Fig. 2d dargestellten steileren Sprunges aufgrund der Pegelabsenkung des Gesamtsignals eine relativ hohe Ausgangsspannung von kürzerer Dauer, als wenn das Gesamtsignal während des Umschaltvorgangs in seiner Amplitude nicht abgesenkt worden wäre. Dies bedeutet aber, daß wesentliche Spektralkomponenten des Störsignals außerhalb des Nutzsignalbereichs liegen, die durch Begrenzung der Amplitude und durch Filterung eliminiert und damit in ihrer Wirkung erheblich abgeschwächt werden können.

Fig. 3 zeigt die Ortskurve des zeitabhängigen Signalvektors während des Phasensprungs bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme, nämlich das Hochfrequenzsignal während der Umschaltung amplitudenmäßig abzusenken. Im Gegensatz zu dem in Fig. la dargestellten Vektordiagramm ist die Ortskurve des zeitabhängigen Signalvektors keine Gerade mehr, sondern eine mit ihrem Scheitel zum Nullpunkt hin gerichtete Parabel P. Wie aus Fig.3 ersichtlich, ändert sich die Phase des Hochfrequenzsignals während des Sprungvorgangs im zeitlichen Verlauf zunächst nur wenig, um dann in der Nähe des Nulldurchgangs bzw. des Nullpunkts eine sehr hohe Änderungsgeschwindigkeit anzunehmen. Die vektormäßge Darstellung in Fig. 3 macht nochmals die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das umgeschaltete demodulierte Sprungsignal amplitudenbegrenzt. Dadurch werden wesentliche Komoonenten des Störsignals, die außerhalb des Nutzsignalbereichs liegen, abgeschnitten und Gas Störsignal abgeschwächt, so daß für den Hörer kein Knackgeräuscn auftritt oder das Knackgeräusch so gering ist, daß es den Hörgenuß nicht mehr stört. Wegen des teilweise der Spannungsrichtung entgegengεrichteten Phasenverlaufs des umgeschalteten Hochfrequenzsignals ist durch geeignete Dimensionierung des Amplitudenbegrenzers für bestimrte Phasensorünge im zeitlichen Mittel eine vollständige Kompensation der Reststörung erreichbar.

Der Modulator verarbeitet die Sprungsignale wegen seiner begrenzten Aussteuerbarkeit nicht mehr linear, er führt also automatisch die Amplitudenbegrenzung durch.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Amplitude in Abhängigkeit von der momentanen Amplitude des demodulierten Signals begrenzt wird. Auf diese Weise ist auch bei leisen, eine geringe Amplitude aufweisenden Signalen gewährleistet, daß die Knackgeräusche auch in diesen Fällen sicher unterdrückt werden, da durch die Abhängigkeit von der Momentanamplitude des demodulierten Signals eine Amplitudenbegrenzung früher einsetzt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das umgeschaltete Signal gefiltert. Dadurch ist es möglich, weitere bzw. andere, außerhalb des Nutzsignalbereichs liegende Komponenten des Störsignals zu unterbinden. Der Filtervorgang kann zusätzlich zur Amplitudenbegrenzung vorgenommen werden.

Das Verfahren ist besonders vorteilhaft anwendbar, wenn das frequenzmodulierte Hochfrequenzsignal ein UKW-Signal ist und zwischen den Einzelantennen eines Antennen-Empfangssystems mit mehreren Empfangsantennen umgeschaltet wird. Bei diesen sogenannten Antennen-Diversity-Systemen kann je nach den gegebenen Bedingungen eine sehr häufige Phasenumschaltung erfolgen. Die dabei entstehenden Umschalt-Störsignale werden durch die Erfindung unterdrückt bzw. derart abgesenkt, daß insbesondere auch bei häufigem Umschalten die Signalqualität nicht leidet und ein ungestörter Hörgenuß ohne Knackgeräusche möglich ist. Gerade bei herkömmlichen Diversity-Systemen wurden teilweise aufwendige Maßnahmen ergriffen, um zu gewährleisten, daß Umschaltungen nicht zu häufig auftreten, damit Knackgeräusche den Empfang nicht beeinträchtigen. Dadurch konnten andererseits die Vorteile der Diversity-Verfahren nicht voll ausgenutzt werden. Unter Verwendung der erfindungsgmäßen Maßnahme ist es nunmehr möglich, Diversity-Schaltungen unabhängig von der Frequenz der Signalumschaltungen aufzubauen und zu dimensionieren, ohne daß Beeinträchtigungen hinsichtlich der durch Umschalt-Störsignale auftretenden Knackgeräusche, die auch durch sehr schnelles Umschalten alleine nicht zu beseitigen sind, in Kauf genommen werden müßten.

Die genannten Vorteile der erfindungsgemäßen Maßnahme sind insbesondere auch dann zu erzielen, wenn das Empfangssystem phasengesteuert ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist gegeben, wenn dem Hochfrequenzsignal oder einem ZF-Signal im Bereich der tiefsten Amplitudenabsenkung ein Rauschsignal zugeführt wird. Ohne Zufügung eines Rauschsignals stehen die oder zumindest eine lielzahl von Spektrallinien in einer festen Phasenbeziehung zueinander, d.h., das Knackgeräusch ist kohärent und daher als hartes Knacken zu hören.
Durch Überlagern eines Rauschsignals insbesondere im Bereich der tiefsten Amplitudenabsenkung werden die festen Phasenbeziehungen aufgelöst, so daß der Geräuscheindruck des Knackgeräusches verwischt und deshalb weniger als Störung empfunden wird.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Amplitude auf einen Amplitudenwert von etwa Null abgesenkt wird. Die vollständige Absenkung der Amplitude, d.h. praktisch die kurzzeitige Abschaltung des Signals ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein Empfänger eine sehr gute Begrenzerwirkung hat, das Signal also bereits vor der Demodulation in einem Empfänger begrenzt wird. Auch in diesem Falle wird durch die genannte zusätzliche Maßnahme das Knacken sicher unterdrückt.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung der er'indungsgemäßen Verfahren und zur Lösung der gestellten Aufgabe weist eine der Hochfrequenzsignal eine Phasenänoerung aufprägende Schaltungsstufe sowie eine die Amplitude des Hochfreouenzsignals absenκenoe Scnaltungsstufe auf, wobei letztere der ersteren nachgeschaltet ist. Vorzugsweise ist die dem Hochfrequenzsignal eine Phasenänderung aufprägende Schal tungsstufe ein Phasendrehglied, wie es beispielsweise in der älteren deutscher, Patentanmeldung P 37 37 011 in Zusammenhang mit einerr, Diversity- Empfangsverfahren beschrieben ist. Die die Amplitude des Hochfrequenzsignals absenkende Schaltungsstufe ist vorteilhafterweise ein Amplitudenmodulator.

Vorteilhaft ist es weiterhin, die dem Hochfrequenzsignal eine Phasenänderung aufprägende 5chaltungsstufe und/oder die die Amplitude des Hochfrequenzsignals absenkende Schaltungsstufe mit einem Steuersignal, etwa einem Triggerimpuls zu aktivieren. Dieser Triggerimpuls kann beispielsweise immer dann bereitgestellt werden, wenn bei einem Diversity-System von einer Antenne auf eine andere Antenne umgeschaltet wird, wie dies z.B. ebenfalls in der älteren deutschen Patentanmeldung P 37 37 011 derselben Anmelderin im einzelnen aufgeführt ist und auf die in diesem Zusammenhang Bezug genommen wird.

Vorteilhafterweise ist eine Verzögerungsschaltung vorgesehen, die das Steuersignal für die dem Hochfrequenzsignal eine Phasenänderung aufprägende Schaltungsstufe gegenüber dem Steuersignal für die die Amplitude des Hochfrequenzsignals absenkende Schaltungsstufe verzögert. Vorzugsweise ist die Verzögerungszeit so gewählt, daß die Ansteuerung der dem Hochfrequenzsignal die Phasenänderung aufprägenden Schaltungsstufe dann geschieht, wenn die die Amplitude absenkende Schaltungsstufe dem Hochfrequenzsignal die während des Absenkvorgangs kleinste Amplitude erzeugt. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die Phasendrehung oder -umschaltung nicht bereits auf der Amplitudenabsenkflanke des Hochfrequenzsignals auftritt, was zu einer geringeren Wirkung der Knackgeräuschunterdrückung führen würde.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß der die Amplitude des Hochfrequenzsignals absenkenden Schaltungsstufe eine Impulsformerstufe für das Steuersignal vorgeschaltet ist, die dem Steuersignal eine optimale Impulsform gibt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a ein Diagramm für die Ortskurve des Signalvektors bei einer einen Phasensprung aufweisenden Signalumschaltung herkömmlicher Art,

Fig. 1b die schematische Zerlegung des Signalvektors in orthogonale
Signale,

Fig. 2a bis 2d
Signalpläne zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 3 eine Ortskurve des Signalvektors unter Verwendung der
vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 5a bis 5c
Signalpläne zur Erläuterung der in Fig. 4 dargestellten
Schaltungsanordnung.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird einem Phasendrehglied 1 ein beispielsweise von einer Antenne kommendes Hochfrequenzsignal zugeführt, das nach der Phasendrehung zu einem Amplitudenmodulator 2 gelangt. Das Hochfrequenz-Ausgangssignal des Amplitudenmodulators 2 wird am Anschluß 2' einer Auswerteschaltung, beispielsweise einer Tonrundfunk-Empfangsschaltung zugeleitet. Über eine Klemme 3 wird dem Amplitudenmodulator 2 ein Steuersignal, beispielsweise in Form eines Steuerimpulses, zur Aktivierung zugeführt, das nach Verzögerung in einem Verzögerungsglied 4 auch dem Phasendrehglied 1 bereitgestellt wird. Das Phasendrehglied 1 ist ein Beispiel für eine dem Hochfrequenzsignal eine Phasenänderung aufprägende Schaltungsstufe, also einer Stufe, die einen Phasensprung bewirkt. Derartige Stufen sind, wie eingangs bereits ausgeführt, im Zusammenhang mit Antennen-Diversity-Systemen vorgesehen. Ein Beispiel hierfür ist die ältere deutsche Patentanmeldung P 37 37 011 derselben Anmelderin, deren Offenbarungsgehalt ausdrücklich zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Alternativ ist es möglich, zwischen der Klemme für das Steuersignal und dem Amplitudenmodulator 2 einen Impulsformer 5 vorzusehen, um dem den Amplitudenmodulator 2 ansteuernden Signal eine optimale Impulsform zu geben.

Amplitudenmodulatoren sind dem Fachmann allgemein bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, so daß auf deren Beschreibung hier verzichtet werden kann. Beispielsweise lassen sich Amplitudenmodulatoren mit PIN-Dioden einsetzen.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Signalpläne 5a bis 5c erläutert.

Zum Zeitpunkt t (vgl. Fig. 5a) tritt an der Klemme 3 ein Steuerimpuls 6 auf, das über den Impulsformer 5 an den Amplitudenmodulator 2 gelangt und bewirkt, daß das Hochfrequenzsignal in seiner Amplitude abgesenkt wird, wie dies aus Fig. 5b ersichtlich ist. Würde das Steuersignal 6 ohne Verzögerung dem Phasendrehglied 1 zugeleitet, würde die Phasendrehung bzw. der Phasensprung durch das Phasendrehglied 1 ebenfalls zum Zeitpunkt t0 ausgelöst. D.h., die Phasendrehung würde zu einem Zeitpunkt stattfinden, an dem die Amplitudenabsenkung des
Hochfrequenzsignals noch nicht oder kaum erfolgt ist. Die Wirkung zur Unterdrückung der Knackgeräusche wäre daher gering. Aus diesem Grunde ist das Verzögeruπgsglied 4 vorgesehen, das die Ansteuerung des Phasendrehglieds 1 gegenüber der Ansteuerung des Amplitudenmodulators 2 um eine Verzögerungszeit τ bis zu einem Zeitpunkt t, hinauszögert -Steuersignal 7 -, an dem der Amplitudenmodulator 2 das Hochfrequenzsignal auf seinen kleinsten Amplitudenwert abgesenkt hat. Die Phasendrehung bzw. der Phasensprung erfolgt dadurch zum Zeitpunkt der kleinsten Amplitude des Hochfrequenzsignals, so daß eine optimale Knackgeräuschunterdrückung gewährleistet ist.

Die Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels in Zusammenhang mit einem Phasendrehglied 1 beschrieben, wie es beispielsweise bei Antennen-Diversity-Systemen verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern überall dort' einsetzbar. wo Phasenänderungen oder -Sprünge bei Hochfrequenzsignalen und daraus sich ergebende Störungen auftreten.