Anordnung zur Erzeugung einer Folge von digitalen Ausgangssignalen entsprechend einem frequenzmodulierten Signal

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer Folge von digitalen Ausgangssignalen, die zu gleichmäßig verteilten Zeitpunkten gewonnenen Abtastwerten eines periodischen analogen Signals entsprechen, dessen Momentanfrequenz durch ein Steuersignal frequenzmoduliert ist.

Für die Erzeugung eines frequenzmodulierten analogen Signals sind eine Vielzahl verschiedener Schaltungsanordnungen bekannt. Derartige analoge Schaltungen sind jedoch kompliziert aufgebaut und erfordern Spulen und Kondensatoren, so daß eine in einem Halbleiter-Kristall integrierte Ausführung solcher Schaltungen nicht ohne weiteres möglich ist.

Dagegen lassen sich digitale Schaltungen sehr günstig integrieren,und außerdem tritt bei der digitalen Verarbeitung von analogen Signalen außer der Amplituden- und Zeitdiskretisierung bei der Digitalisierung der analogen Signale keine weitere unerwünschte Signalveränderung auf. Daher ist es in vielen Anwendungsfällen erwünscht, insbesondere bei denen bisher analoge frequenzmodulierte Signale verarbeitet werden, diese in digitaler Form möglichst direkt mit digitalen Schaltungen zu erzeugen.

Aus der US-PS 3,787,785 ist eine Anordnung bekannt, mittels deren ein Signal durch ein anderes Signal auf digitalem Wege moduliert wird. Darin wird ein Phasensprungmodulator beschrieben, der auch mehrere phasensprungmodulierte Signale zeitverschachtεìt erzeugen kann. Dies erfolgt mit Hilfe digitaler Zahlengeneratoren, die einen Festwertspeicher ansteuern, an dessen digitalen Ausgang ein Digital-Analog-Wandler und ein Tiefpaßfilter angeschlossen ist, so daß schließlich ein analoges Signal begrenzter Bandbreite erhalten wird. Die Erzeugung eines digitalisierten frequenzmodulierten Signals ist damit nicht ohne weiteres möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der die digitalen Ausgangssignale entsprechend einem frequenzmodulierten Signal auf rein digitalem Weg gewonnen werden können, wobei ein großer Frequenzhub mit hoher Linearität bei einem großen Verhältnis von höchster Signalfrequenz zur Mittenfrequenz des frequenzmodulierten Signals erzielt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein digital arbeitender Akkumulator aus einer ersten digitalen Recheneinheit und einem Speicherregister vom Steuersignal zu gleichmäßig verteilten Zeitpunkten abgeleitete Dualzahlen in einem begrenzten Wertebereich aufaddiert und daß die Folge der digitalen Ausgangssignale von der Folge der im Speicherregister auftretenden digitalen Werte abgeleitet ist. Auf diese Weise entsprechen die Differenzen zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden digitalen Ausgangssignalen dem Steuersignal, was grundsätzlich einer Frequenzmodulation völlig entspricht. Dabei entspricht die Folge der digitalen Ausgangssignale im analogen Bereich einem sägezahnförmig verlaufenden periodischen Signal mit vom Steuersignal abhängiger Steigung. Da die gleichmäßig verteilten Zeitpunkte von einem quarzgesteuerten Oszillator abgeleitet werden können, der auch den Akkumulator steuert, entsteht somit ein exakt definiertes linear frequenzmoduliertes Signal, das auch durch verschiedene Einflüsse wie Temperaturgang, Alterung oder Betriebsspannung praktisch nicht beeinflußt wird, im Gegensatz zu analogen Schaltungen, die Spulen und Kondensatoren verwenden. Da solche Elemente bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht vorhanden sind, läßt diese sich leicht vollständig integrieren. Die Linearität der FrequenzmoduLation ist auch bei sehr großem Hub (Breitband-FM) völlig gewährleistet.

wenn beispielsweise die Aufzeichnung einer derartigen Folge von digitalen Ausgangssignalen auf einem Magnetband in analoger Form gewünscht wird, kann mit Hilfe eines Digital-Analog-Wandlers und eines Tiefpaßfilters ein bandbreitenbegrenztes frequenzmoduliertes analoges Signal erzeugt werden, mit dem der Schreibkopf des Magnetbandgerätes angesteuert werden kann. Bei einem sägezahnförmigen Signal sind allerdings Komponenten mit relativ hoher Amplitude bei hohen Frequenzen enthalten. Um dem Ideal eines nahezu sinusförmigen Signals nahezukommen, ist es daher nach einer Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, daß die digitale Recheneinheit einen Ubertragsausgang aufweist, der ein Übertragssignal abgibt, wenn bei einer Addition der begrenzte Wertebereich überschritten wird, und daß das Übertragssignal eine Untersetzerstufe steuert, deren Untersetzersignal einen Teil des digitalen Ausgangssignals bildet. Dieses Untersetzersignal kann beispielsweise das Vorzeichen der digitalen Ausgangssignale entsprechend einem nullsymmetrisch verlaufenden Sägezahnsignal nach jeder Periode des Sägezahns invertieren. Dadurch entsteht dann eine Folge von digitalen Ausgangssignalen, die einem dreieckförmig verlaufenden Signal entsprechen. Eine besonders günstige Möglichkeit zur Annäherung eines solchen dreieckförmigen Signals durch die digitalen Ausgangssignale kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig dadurch erreicht werden, daß dem Speicherregister ein vom Untersetzersignal gesteuerter binärer Komplementbildner nachgeschaltet ist. Die dadurch erzeugten digitalen Ausgangssignale brauchen dann nicht mit einem Vorzeichensignal versehen zu sein.

Um eine Folge von digitalen Ausgangssignalen zu erzeugen, die einem sinusförmig verlaufenden frequenzmodulierten Signal entspricht, ist es zweckmäßig, daß dem Speicherregister bzw. dem Komplementbildner ein Zuordner nachgeschaltet ist, der bei jeder zugeführten Dualzahl eine Ausgangs-Dualzahl entsprechend dem Wert einer Sinusschwingung zu einem der zugeführten Dualzahl entsprechenden Argument erzeugt, wobei der Wertebereich der zugeführten Dualzahlen dem vollständigen Bereich einer Sinusschwingung zwischen beiden Extremwerten entspricht. Ein solcher Zuordner kann in einfacher Weise als Festwertspeicher ausgebildet sein. Dabei kann dann das Untersetzersignal den Speicherbereich periodisch umschalten, so daß aus der vom Speicherregister abgegebenen Folge von digitalen Signalen entsprechend einem sägezahnförmigen Signal unmittelbar die digitalen Ausgangssignale entsprechend einem sinusförmig verlaufenden Signal erzeugt werden, oder der Zuordner wird dem Komplementbildner nachgeschaltet.

In vielen Fällen ist das Steuersignal ein analoges Signal. Eine Ausgestaltung der Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, daß bei einem analogen Steuersignal ein Analog-Digital-Wandler aus dem Steuersignal die abgeleiteten Dualzahlen erzeugt. Ein solcher Analog-Digital-Wandler kann ohne weiteres bei integriertem Aufbau der gesamten Anordnung mit integriert werden, so daß praktisch keine externen Bauelemente notwendig sind.

Häufig ist ein derartiges analoges Steuersignal auf die Masseleitung bezogen. Um in diesen Fällen eine mittlere Frequenz des frequenzmodulierten Signals, das durch die Folge von digitalen Ausgangssignalen gebildet wird, bzw. eine minimale Frequenz dieses Signals auf einfache Weise zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, daß eine zweite arithmetische Recheneinheit vorgesehen ist, die zuj^pder vom Steuersignal abgeleiteten Dualzahl eine konstante Dualzahl addiert und diese Summe der ersten Recheneinheit zuführt. Auf diese Weise wird das Eingangssignal also mit digitalen Mitteln um einen wählbaren Betrag entsprechend der konstanten Dualzahl verschoben, so daß keine Bauelemente für eine analoge Verschiebung des analogen Steuersignals notwendig sind.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin wird dem Eingang 1 ein analoges Steuersignal zugeführt und in dem Analog-Digital-Wandler 2 in eine Folge von Dualzahlen entsprechend dem Wert des analogen Steuersignals zu gleichmäßig verteilten Zeitpunkten umgewandelt. Diese Umwandlung wird durch ein nicht dargestelltes Taktsignal gesteuert, das auch die Auftrittszeitpunkle der digitalen Ausgangssignale bestimmt. Zweckmäßig erfolgt die Abtastung des Steuersignals und die Umwandlung in Dualzahlen durch den Analog-Digital-Wandler 2 mit der gleichen Geschwindigkeit, wie die digitalen Ausgangssignale auftreten, da dann die Verarbeitungsgeschwindigkeit in der ganzen Anordnung einheitlich ist. Falls das Steuersignal jedoch bereits in digitaler Form zugeführt wird, ist der Analog-Digital-Wandler selbstverständlich unnötig. Es ist nur wesentlich, daß das Steuersignal in Form zeitdiskreter digitaler Abtastwerte vorliegt.

Die am Ausgang des Wandlers 2 auftretenden Dualzahlen, deren Wert bei der höchsten Amplitude des Steuersignals nur einen Bruchteil des maximalen Wertebereichs des Addierers 6 beträgt, werden vorzugsweise bitparallel über die Leitung 3 dem einen Eingang eines Addierers 4 zugeführt, dessen anderer Eingang 5 einen konstanten Zahlenwert C erhält. Am Ausgang des Addierers 4 treten somit die Dualzahlen des Wandlers 2, erhöht um die Konstante C, in der gleichen Folge auf, wobei eine gewisse Zeitverschiebung durch die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Addierers 4 vernachlässigt wird, dadiese sich für den Modulationsvorgang nicht auswirkt. Auch ein dem Addierer 4 üblicherweise nachgeschaltetes Zwischenregister ist hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Ferner ist zu bemerken, daß bei bitparalleler Übertragung der Dualzahlen die Leitung 3 ebenso wie die anderen Verbindungen der Elemente in der Figur mit Ausnahme der Leitungen 7 und 9 tatsächlich aus einer Anzahl paralleler Verbindungen besteht, die hier der Übersichtlichkeit halber als nur eine Leitung dargestellt sind.

Die vom Addierer 4 erzeugten Dualzahlen entsprechen dem um einen konstanten Wert C verschobenen Steuersignal, wobei dieser Wert C die untere Frequenz des modulierten Signals bestimmt, und stellen das modulierende Signal dar, das dem einen Eingang eines Addierers 6 zugeführt wird. Der Ausgang des Addierers 6 führt auf einen Speicher 10, dessen Ausgang über die Leitung 11 mit dem anderen Eingang des Addierers 6 verbunden ist. Der Addierer 6 und der Speicher 10 bilden somit einen Akkumulator, der die am einen Eingang zugeführten Werte aufeinanderfolgend aufsummiert. Unter Vernachlässigung des Übertrags bei der Aufsummierung durch Überschreiten des Wertebereichs des Akkumulators, der durch die Stellenzahl des Addierers 6 und der gleich großen Stellenzahl des Speichers 10 bestimmt ist, entsteht also auf der Leitung 11 eine Folge von Dualzahlen, die im analogen Bereich einem sägezahnförmigen Signal entsprechen, bei dem der momentane Wert des modulierenden Signals in der momentanen Steigung des Sägezahns und damit in dessen Momentanfrequenz enthalten ist. Damit stellt die Folge der Dualzahlen auf der Leitung 6 bereits ein digitales frequenzmoduliertes Signal dar. Da ein derartiges Signal bei Rücktransformation in den anlogen Bereich jedoch einen sehr hohen Oberwellengehalt aufweist, ist es zweckmäßig, das sägezahnförmige Signal in ein anderes Signal mit einem geringeren Oberwellenanteil im analogen Bereich umzuwandeln.

Hierfür wird der Übertragsausgang 7 des Addierers 6 mit dem Untersetzereingang einer Untersetzerstufe 8 verbunden, die durch eine bistabile Kippstufe gebildet sein kann. Das Untersetzersignal am Ausgang 9 dieser Untersetzerstufe 8 wechselt somit jeweils nach einer vollen Periode der Sägezahnschwingung, die durch die Folge der Dualzahlen auf der Leitung 6 gebildet wird, seinen Wert, d.h. wenn die Dualzahlen auf der Leitung 11 den durch die Stellenzahl des Addierers 6 vorgegebenen Wertebereich einmal durchlaufen haben und wieder am unteren Ende des Wertebereichs beginnen. Das Untersetzersignal auf der Leitung 9 führt nun auf den Steuereingang eines Komplementbildners 12, dessen Dateneingang ebenfalls mit der Leitung 11 verbunden ist. Bei dem einen Signalwert auf der Leitung 9 gibt der Komplementbildner 12 auf der Ausgangsleitung 13 die Dualzahlen auf der Leitung 11 unmittelbar aus, während beim anderen Wert auf der Leitung 9 das Komplement der Dualzahlen auf der Leitung 11 zum höchsten Wert des durch den Addierer 6 bestimmten Wertebereichs auf der Ausgangsleitung 13 abgegeben wird. Die Folge der Dualzahlen auf der Leitung 13 stellen somit ein digitalisiertes dreieckförmig verlaufendes Signal dar, dessen Periodendauer doppelt so lang ist wie das sägezahnförmige Signal entsprechend den Dualzahlen auf der Leitung 11, wobei jedoch weiterhin der Wert des am Ein"_ing 1 zugeführten Steuersignals in der momentanen Steigung des dreieckförmigen Signals gemäß den Dualzahlen auf der Leitung 13 enthalten ist. Die Frequenzhalbierung durch den Komplementbildner 12 ergibt somit keinen Informationsverlust. Eine andere Möglichkeit, eine Folge von Dualzahlen aus den auf der Leitung 11 auftretenden Dualzahlen zu erzeugen, die ebenfalls im analogen Bereich ein oberwellenarmes Signal darstellt, wird etwas später erläutert.

Die Ausgangsleitung 13 des Komplementbildners12 ist mit einem Zuordner 14 verbunden, der vorzugsweise einen Festwertspeicher enthält und der durch die Dualzahlen auf der Leitung 13 adressiert wird. An jedem Speicherplatz ist der digitale Wert einer Sinusschwingung für das Argument gespeichert, das durch die zugeführte Adresse dargestellt wird, wobei der gesamte Wertebereich der Adressen, d.h. der auf der Leitung 13 zugeführten Dualzahlen, einer halben Sinusschwingung vom einen Extremwert bis zum entgegengesetzten Extremwert entspricht, d.h. von 90⁰ bis 270°. Auf diese Weise gibt der Zuordner 14 auf der Ausgangsleitung 15 Dualzahlen ab, die einer mit dem am Eingang 1 zugeführten Steuersignal frequenzmodulierten Sinusschwingung entsprechen. Diese Dualzahlen auf der Leitung 15 können nun gewünschtenfalls digital weiterverarbeitet werden, oder für die Aufzeichnung des darduch die Dualzahlen dargestellten frequenzmodulierten Signals auf einem Magnetband werden diese Dualzahlen einem Digital-Analog-Wandler 16 zugeführt, der analoge Abtastwerte entsprochand diesen Dualzahlen liefert, und die Folge dieser Abtaswerte wird einem Tiefpaßfilter 18 zugeführt, so daß am Ausgang 19 eine kontinuierliche frequenzmodulierte Sinusschwingung auftritt.

Die vorher erwähnte andere Art, eine Folge von digitalen Ausgangssignalen zu erzeugen, die einem oberwellenarmen analogen Signal entspricht, kann dadurch erreicht werden, daß die Leitung 11 mit einem Eingang des Zuordners 14 verbunden wird, wie durch die gestrichelte Verbindung angedeutet ist. Ferner wird auch das Übertragssignal auf der Leitung 9 dem Zuordner 14 zugeführt. Der Einfachheit halber werde wieder angenommen, daß der Zuordner 14 einen Festwertspeicher enthält, der durch die Dualzahlen auf der Leitung 11 adressiert wird. Dieser Festwertspeicher enthält dann aber nicht nur die digitalisierten Abtastwerte einer halben Sinusschwingung, sondern einer vollen Sinusschwingung, und zwar vorzugsweise beginnend bei dem einen Extremwert, beispielsweise entsprechend 90°. Die Leitung 9 ist dann mit dem Bit höchster Wertigkeit des Adresseneingangs verbunden. Auf diese Weise wird durch die Folge der Dualzahlen auf der Leitung 11 entsprechend einem sägezahnförmigen Signal in der einen Periode dieses Sägezahns der Festwertspeicher in dem Zuordner 14 so angesteuert, daß auf der Ausgangsleitung 15 nacheinander die Abtastwerte einer Sinusschwingung vom höchsten bis zum niedrigsten Wert abgegeben werden, und in der folgenden Periode der Sägezahnschwingung werden die Abtastwerte dner Sinusschwingung vom niedrigsten bis zum höchsten Wert entsprechend abgegeben. Auf diese Weise erscheint auf der Ausgangsleitung 15 die gleiche Folge von Dualzahlen wie bei der vorher beschriebenen Verwendung des Komplementbildners 12, der nun entfalen kann, Dagegen muß der Festwertspeicher im Zuordner 14 bei dieser zuletzt beschriebenen Lösung jedoch die doppelte Speicherkapazität aufweisen.

Unter der Voraussetzung, daß alle Schaltungselemente mit der gleichen Taktfrequenz f_T arbeiten, besteht für die Frequenz f_FM der frequenzmodulierten Sinusschwingung am Ausgang 19 folgender Zusammenhang mit dem am Eingang 1 zugeführten Steuersignal E und dem Wertebereich N der Anordnung

Da der Wertebereich N sowie der konstante Wert C exakt festliegen und die Taktfrequenz mit Hilfe eines quarzgesteuerten Oszillators sehr genau konstant gehalten werden kann, ist die Genauigkeit der Frequenzmodulation also sehr groß und somit wesentlich größer, als bei vergleichbarem Aufwand mit analogen Mitteln erreichbar.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel für die Anwendung bei einem Videobandgerät wurde die Taktfrequenz f_T zu 17,73 MHz und die Bitbreite des Addierers 6 und damit auch des Addierers 4 sowie der übrigen Elemente zu 10 Bit entsprechend einem Wertebereich von 1,024 gewählt. Bei einem konstanten Wert C von 381 und einem Wertebereich für das vom Analog-Digital-Wandler 2 abgegebene digitalisierte Steuersignal E von 0 bis 173 liegt die Frequenz f_Fm des frequenzmodulierten Signals am Ausgang 19 im Bereich von 3,3 bis 4,8 MHz.