Frequenz-Demodulation, Begrenzer, Demodulatoren

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Frequenz-Demodulation, Begrenzer, Demodulatoren 
28.Apr.04 22:37
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Dietmar Rudolph † 6.1.22 (D)
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Dietmar Rudolph † 6.1.22

Frequenz und Trägerschwingungen
Frequenz ist eine Eigenschaft z.B. eines Cosinus-förmigen Zeit-Signals. Ist dieses Zeitsignal ein Hochfrequenzsignal, wird es Trägerschwingung genannt. Dieser Trägerschwingung kann ein Nachrichtensignal aufgeprägt werden. Dann entsteht ein moduliertes Signal.
 
Bei einer Trägerschwingung bestehen drei Eingriffsmöglichkeiten zur Modulation mit einem Nachrichtensignal. Dies sind seine Amplitude, wodurch Amplitudenmodulation entsteht, ferner seine Frequenz, wodurch Frequenzmodulation entsteht und schließlich seine Phase, wodurch Phasenmodulation entsteht.
 
Ist die Trägerschwingung frequenzmoduliert, so werden die Abstände der Nulldurchgänge gemäß dem aufmodulierten Nachrichtensignal verändert.
Umgangssprachlich wird ein solches Signal dann als FM (Frequenz-Modulation) bezeichnet, obwohl man eigentlich FM-Schwingung oder FM-Signal sagen müßte.
 
Der Zeitverlauf eines FM-Signals sieht nur noch näherungsweise Cosinus-förmig aus, sondern erscheint entsprechend zum Nachrichtensignal Ziehharmonika-ähnlich gestaucht und gedehnt. Da in seine Amplitude nicht eingegriffen wird, hat das FM-Signal eine konstante Amplitude.

Demodulation
Die Demodulation soll die Rückgewinnung des Nachrichtensignals bewirken. Da das FM-Signal eine konstante Amplitude hat, kann dies nicht alleine mittels einer Gleichrichterschaltung erfolgen, wie es z.B. zur Demodulation eines amplitudenmodulierten Signals (AM-Signal) ausreicht, bekannt als Detektor aus den Anfängen des Radios.
 
Die Demodulation einer FM ist eng verwandt mit der Messung einer Frequenz. Allerdings gibt es einen Unterschied. Bei der Frequenzmessung werden Mittelwerte bestimmt, während bei der Demodulation Augenblickswerte interessieren, weil sich genau darin die Nachricht wieder findet. Gesucht sind also Meßmethoden für die Frequenz, die schnell auf Frequenzänderungen ansprechen.
 
Will man FM-Demodulation erreichen statt einer Frequenzmessung, muß also das Verfahren so ausgelegt werden, daß keine zeitliche Mittelung des Meßergebnisses stattfindet. Die auftretenden Zeitkonstanten sind entsprechend zu wählen.
 
Während eine Frequenz-Messung i.a. über ein großes  Frequenzintervall erfolgen soll, benötigt man für die FM-Demodulation in der Regel nur ein relativ schmales Frequenzband. Dies ist eine Vereinfachung, wodurch sich eine breite Palette von Lösungsmöglichkeiten ergibt. 

FM-Demodulationsverfahren im Vergleich
Die FM-Demodulationsverfahren können unterteilt werden in direkte Verfahren und indirekte Verfahren.
Die direkten Verfahren umfassen die (analogen bzw. digitalen) Zählverfahren und die Phase-Locked-Loop-Verfahren (PLL).
Die indirekten Verfahren wandeln die Frequenz-Änderungen um in Amplituden-Änderungen bzw. in Phasen-Änderungen.
 
Zu jeder dieser Methoden wird im aktuellen Beitrag eingegangen, der .pdf File (564 KB, 14 Seiten, 27 Bilder) ist ganz unten (Anlage) angefügt.
 
Zur Demodulation von FM wurden viele Schaltungen entwickelt, die auch zur Illustration der unterschiedlichen technischen Wege zur Lösung eines Problems dienen können. "Überlebt" haben nur solche Lösungen, die mit integrierten Schaltkreisen arbeiten.
 
Damit die Informationen, die in der Frequenz stecken, nicht durch etwaige Amplitudenschwankungen der FM-Schwingung verfälscht werden, ist vor der FM-Demodulation ein Amplituden-Begrenzer empfehlenswert und bei den indirekten Verfahren sogar notwendig. In der Praxis wird immer ein möglichst wirkungsvoller Begrenzerverstärker vorgesehen. Die FM verdankt ihre Störfreiheit nicht zuletzt dieser Begrenzerwirkung, durch die auch sehr starke Amplitudenschwankungen, wie sie durch Mehrwegeausbreitung entstehen, praktisch restlos beseitigt werden können.
 
Da eine FM-Demodulation ohne Amplitudenbegrenzer praktisch nicht vorkommt, werden zunächst Begrenzerschaltungen behandelt.

Siehe auch:
http://www.radiomuseum.org/dsp_forum_post.cfm?thread_id=1015

Anlagen:

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.