DE701831C - Verfahren zur Verbesserung des Verhaeltnisses von Nutz- zu Stoerenergie bei der Nachrichtenuebermittlung mittels freqenzmodulierter Schwingungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachrichtenübermittlung mit frequenzmodulierten Wellen.

Durch die Übertragung von Nachrichten -mittels frequenzmodulierter Wellen ist es möglich, einen beträchtlichen Teil der Störungen, die man bei einer entsprechenden amplituden-modulierten Welle wahrnehmen würde, zu beseitigen. Dies rührt daher, daß ίο der symmetrische Frequenzmodulationsempfänger, insbesondere ein solcher mit Amplitudenbegrenzung der Eingangsenergie, sämtliche Störungen in der Nähe der - Trägerfrequenz unterdrückt. Störfrequenzen, die normalerweise tiefe Niederfrequenzschwebungen mit dem Träger bilden würden, heben sich in dem Ausgang des symmetrischen Frequenzmodulationsempfängers auf. Diese Kompensation ist praktisch vollständig für solche ao Störkomponenten, deren Schwebungsfrequenz im Empfängeraiusgang annähernd Null ist; die Kompensation wird aber um so schlechter, je weiter die Störfrequenzen vom Träger abliegen. Ein- Frequenzmodulationsempfänger der symmetrischen Art, der dazu bestimmt ist, Modulationsfrequenzen von ο bis ι ο ooo Hz zu empfangen, hat einen maximalen Störpegel bei 10 000 Hz, während die Störungen bei 5000 Hz nur die halbe Amplitude' haben. Bei 1000 Hz ist der Störbetrag nur noch io°/o) bei 100 Hz i°/₀ usw.

Die spezielle Schaltung von Frequenzmodulationsempfängern mit symmetrischem Aufbau soll hier nicht näher erläutert werden, da sie vielfach bekannt ist. Ein derartiger symmetrischer Frequenzmodulationsempfänger benachteiligt auch besonders die nutzbaren Seitenfrequenzen, die in der Nähe des Trägers liegen. Diese Benachteiligung wird jedoch ausgeglichen durch die größere Anzahl und Bandbreite der Seitenfrequenzen bei der Frequenzmodulation im Vergleich mit der Amplitudenmodulation. Das Endergebnis ist ein mittlerer Gewinn an Leistung durch die Symmetrieschaltung von ungefähr 3:1 gegenüber dem Verhältnis von Nutzenergie zu Störenergie beim Empfang eines amplitudenmodulierten Senders mit gleicher Trägerleistung. Ein wejterer Gewinn von etwa 5 : ι wird durch die Möglichkeit erzielt, daß

die Ausgangsleistung eines gegebenen Senders beim Übergang von Amplituden- zu Frequenzmodulation erhöht werden kann Das Verhältnis von Nutzenergie zu_; Störenergie kann daher bei der Verwendung von Frequenzmodulation statt Amplitudenmodulation um den Faktor 15 vergrößert werden. Es ist bekannt, daß eine noch erheblichere Verbesserung des genannten Verhältnisses dadurch erzielt werden kann, daß die von den Modulationsspannungen abhängige Frequenzabweichung am Sender vergrößert wird und empfängerseitig entsprechend breitere Eingangsbandfilter verwendet werden. Tatsäch- <5 lieh steigt das Verhältnis der Signalenergie zur Störenergie auch etwa proportional zum Quadrat der Frequenzbandbreite, solange das Signal wesentlich stärker ist als die Störung. Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung des Verhältnisses von Nutzenergie zu Störenergie, ohne daß gleichzeitig die Senderbandbreite vergrößert wird. Dies letztere würde ja wiederum zu einer Erhöhung der gegenseitigen Störmöglichkeiten der Sender oder zu einer Verminderung der zulässigen Senderanzahl führen. Selbstverständlich ist es möglich, die Erfindung auch in Kombination mit einer schwachen Verbreiterung des Frequenzbandes anzuwenden. Es ist jedoch die Eigenart der Erfindung, daß trotz weitgehender Verminderung von Störungen die kleinstmögliche Bandbreite ausgenutzt werden kann.

Bevor auf die Erfindung selbst eingegangen wird, sei als bekannt vorausgeschickt, bei der Übertragung von Nachrichten durch Amplitudenmodulation einer Trägerwelle den Amplitudenfrequenzgang der abgestrahlten Modulationsseitenbänder so zu wählen, daß die den hohen Modulationsfrequenzen entsprechenden Amplituden gegenüber den von den tiefen Modulationsfrequenzen herrührenden Amplituden angehoben werden, und empfängerseitig eine Entzerrung des Übertragers nen Modulationsfrequenzbandes vorzunehmen. Anlaß für diese Maßnahme war die Überlegung, daß Störungen hauptsächlich in den höheren Frequenzbereich fallen und dort das Verhältnis von Nutzamplitude zu Störamplitude einer Verbesserung bedürftig ist. Die Erfindung betrifft hingegen frequenzmodulierte Schwingungen, deren an sich schon geringere Störanfälligkeit bekannt war. Es ist ferner bekannt, frequenzmodulierte Schwingungen aus phasenmodulierten Schwingungen dadurch abzuleiten, daß man von der gewöhnlichen Phasenmodulation ausgeht und die Phasendrehung durch besondere frequenzabhängige Glieder in der niederfrequenten Leitung umgekehrt proportional der Niederfrequenz macht.

Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Verbesserung des Verhältnisses von Nutz- zu Störenergie bei der Nachrichtenübermittlung mittels frequenzmodulierter Schwingungen, bei welchem senderseitig die Amplituden der tieferen Signalfrequenzen gegenüber den Amplituden der höheren Signalfrequenzen in den ausgestrahlten modulierten Frequenzbändern gerade so weit angehoben werden, daß außerhalb des Modulationsfrequenzbandes die Amplituden der Seitenfrequenzen noch vernachlässigbar klein bleiben und empfängerseitig nach der Demodulation eine Entzerrung des übertragenen Modulationsfrequenzbandes vorgenommen wird. Die Erfindung soll an Hand der Abbildungen näher beschrieben werden.

Abb. ι zeigt die relativen Amplituden der Trägerwellen und der Seitenfrequenzen bei einer phasenmodulierten Schwingung. Die Ordinaten bedeuten Amplituden, die Abszissen die Phasenabweicliung des Trägers im Bogenmaß. Der Träger ist mit /₀ (X), die Seitenfrequenzen, die durch irgendeine Modulationsfrequenz erzeugt werden, sind mit J₁ (X), J₂ (X), J₃ (X) usw. bezeichnet. Je größer der Index, desto größer soll die Entfernung der Seitenfrequenz vom Träger sein. Die Abbildung zeigt außerdem die relative Amplitude des Trägers und der Seitenfrequenzen einer frequenzmodulierten Welle, wenn man bedenkt, daß die Abszisse idie Phasenabweichung des Trägers bedeutet, die wir mit Θ bezeichnen. Dieser Winkel ist Θ =D : /, wo / die Modulationsfrequenz und D die Frequenzabweichung des Trägers, die durch die Modulationsfrequenz hervorgerufen w^rird, bedeutet.

Die weitere Theorie des Frequenzbandes bei Frequenzmodulation braucht hier nicht näher erläutert werden.

Soll ein frequenzmodulierter Sender Modulationsfrequenzen von ο bis 10 000 Hz übertragen und wird gefordert, daß keine Modulationsfrequenz bei vollem Modulationsgrad Seitenfrequenzen außerhalb des normalen Bandes mit mehr als 1 °/₀ der Trägeramplitude hervorrufen soll, so ist aus Abb. 1 rsichtlich, daß die Phasenabweichung bei no einer Modulationsfrequenz von 5000 Hz löchstens = 0,3 Bogeneinheiten sein darf, da die Seitenfrequenz zweiter Ordnung [mit der Amplitude J₂ (X)] hierbei i°/₀ erreicht und damit an die Grenze des zulässigen Bandes »15 von +10000 Hz kommt. Diese Begrenzung der Phasenabweichung entspricht einer höchstzulässigen Frequenzabweichung von D = 5000· 0,3 = 1500 Hz für eine Modulationsfrequenz von 5000 Hz. ^ >2o

Eine gleiche Modulationsspannung mit Hz wird ebenfalls eine Frequenz-

abweichung von 1500 Hz ergeben, während die zugehörige Phasenabweichung 1,5 Bogen einheiten beträgt. Im Falle der Modulationsfrequenz von 1000 Hz ,braucht jedoch erst die Seitenfrequenz zehnter Ordnung/₁₀ (X) betrachtet zu werden, die bei einer Phasenabweichung von 6,2 Bogeneinheiten und einer entsprechenden Frequenzabweichung von 6200 Hz mit i°/o der Trägeramplitude, auftritt. Die Modulationsfrequenz von 1000 Hz darf daher einen Phasen- bzw. Frequenzhub bis zu diesen genannten Größen erhalten. Bei einem normalen Frequenzmodulator wird daher für die tiefen Frequenzen niemals der zu-'lässige Frequenzhub ausgenützt. Gegenüber der Modulationsfrequenz von 5000 Hz kann demnach der Modulationsgrad der Modulationsfrequenz von 1000 Hz um den Faktor 4 : ι erhöht werden. Für alle Modulaao tionsfrequenzen zwischen 5000 und 10 000 Hz fallen sämtliche Seitenfrequenzen bis auf diejenigen erster Ordnung außerhalb des zulässigen Bandes. Für die Frequenzen ist die höchstzulässige Phasenabweichung Θ = ο,3 Bogeneinheiten. Die zugehörige Frequenzabweichung D = Θ · f liegt bei Modu-. lationsfrequenzen zwischen f = 5000 bis iooooHz zwischen 1500 und 3000 Hz. Dies bedeutet, daß die .zulässige Frequenzabweichung in diesem Modulationsfrequenzbereich proportional der Modulationsfrequenz ist. Dies zeigt Abb. 2, bei der auf der Ordinate die für das gegebene Band zulässige Frequenzabweichung D₁ auf der Abszisse die Modulationsfrequenz f, beide in Kiloherz angegeben sind. Von einer Modulationsfrequenz von 5000 Hz ab steigt die Kurve linear an, während sie nach tieferen Modulationsfrequenzen hin ebenfalls außerordentlich stark ansteigt. Bei einer Modulationsfrequenz von 10 Hz kann eine Frequenzabweichung von beinahe +10 000 Hz angewandt werden, während normalerweise die Frequenzabweichung nur + 1500 Hz betragen würde, genau so wie bei einer Modulationsfrequenz von 5000 Hz. Dies rührt daher, daß, wie sich aus einer Betrachtung der Besselschen Funktionen ergibt, nur Phasenabweichungen von mehr als 10000:10 Seitenfrequenzen hervorrufen, die außerhalb des zulässigen Bandes liegen. Diese Seitenfrequenzen sind so schwach, daß sie vernachlässigt werden können, solange die Phasenabweichung 10000: id nicht überschreitet. Diese Phasenabweichung entspricht jedoch der obenerwähnten Frequenzabweichung von ι ο 000 Hz. Bei einer Modulationsfrequenz von 2500 Hz liegen nur Seitenfrequenzen vierter Ordnung unterhalb der zulässigen Grenzfrequenz von 10 000 PJz, und damit ihre Amplitude kleiner als 1 °/„ der Trägeramplitude bleibt, ist die höchstzulässige Phasenabweichung 1,5 Bogeneinheiten,. die hochstzulässige Frequenzabweichung 2500· i,5 = 3750 Hz.

Aus den obigen Ausführungen ist ersieht-Hch, daß zwecks optimaler Ausnützung des zulässigen Frequenzbandes eine Vergrößerung der Amplituden der niederen Modulationsfrequenzen gegenüber den Amplituden der mittleren Modulationsfrequenzen vorgenommen werden muß. Dies ist klar aus Abb. 2 ersichtlich. Aus dieser Abbildung ist gleichfalls ersichtlich, daß die Amplitudenvergrößerung mit kleiner werdender Modulationsfrequenz unterhalb von 5000 Hz nicht linear vor sich geht, sondern mit der aus der "Abbildung ersichtlichen Krümmung. Abb. 2 zeigt daher, wie das Modulationsfrequenzband bezüglich seiner Amplitude verzerrt sein muß, wenn die Bedingungen eingehalten werden sollen, daß keine einzige Seitenfrequenz außerhalb des zulässigen Frequenzbandes von +10000 Hz mit einer Amplitude größer als 1% der Trägerschwingung auftritt. Die Erfindung besteht darin, das Modulationsfrequenzband in dieser Weise zu verzerren.

Abb. 3 zeigt die zur Erzielung einer solchen Verzerrung notwendige Charakteristik des Senders. In dieser Abbildung sind auf der Abszisse die Modulationsfrequenzen, auf der Ordinate die Niederfrequenzamplituden dargestellt. Mit einer derartigen Übertragung konnte eine Verbesserung des Verhältnisses von Signal- zu Störenergie um etwa den Faktor 17 bei einer Frequenz von 1000 Hz, bei der das Ohr besonders empfindlich ist, gegenüber normaler Frequenzmodulation erzielt werden. Die Verbesserung bei. den verschiedenen Modulationsfrequenzen geht aus der folgenden Tabelle hervor: ' .

Modulationsfrequenz
Hz

I 000

2500

5000

10 000

Zulässige
Frequenzabweichung

10 000
6 200
3750
1500
3 000

Spannungsgewinn

6,67 4.13 2,5 0

Leistungsgewinn

44.5

6,25 0

Die durchschnittliche Verbesserung des Verhältnisses von Signalenergie zu Störenergie für das ganze Band hängt von der Frequenzverteilung innerhalb des Bandes ab, liegt jedoch normalerweise etwa bei 10:1. Befinden sich die Störungen hauptsächlich im Bereich der niederen Frequenzen, so kann die Verbesserung bis zu 45 : ι getrieben werden.

Wird gemäß der Erfindung die Charakteristik des Senders verzerrt, um den Vorteil

der für jede Frequenz maximalen Frequenzabweichung auzsunützen, und wird zusätzlich dazu eine Verzerrung umgekehrt proportional zu den Spitzenwerten der Modulationsspannungen bei den verschiedenen Modulationsfrequenzen vorgenommen, so kann das Verhältnis von Signalen zu Störungen bis zu einem Faktor ioo, bezogen auf die Leistung, vergrößert werden.

>o Es soll besonders erwähnt werden, daß durch die Erfindung auch der Einfluß des sogenannten Brumms im Sender verringert werden kann. Da praktisch alle Sender ihre Betriebsspannungen aus Gleichrichtern erhalten, die von 50- bis ooperiodigen Wechselströmen gespeist werden, ist die Beseitigung der Störniederfrequenzen von 60, 120, 180, 240,360 und 720 Hz außerordentlich schwierig. Von diesen Frequenzen stört insbesondere der ao 120-Hz-Ton. Durch die Anwendung des Erfindungsgedankens würde der Einfluß dieses Tones um etwa den Faktor 37 verkleinert werden.

Der wesentliche Grund für die Möglichkeit, die Frequenzcharakteristik des Senders bei Frequenzen unterhalb der mittleren Modulationsfrequenz zu verzerren, liegt darin, daß der Abstand zwischen den Seitenfrequenzen mit abnehmender Modulationsfrequenz kleiner wird. Setzt man daher eine bestimmte Grenze der zulässigen Seitenfrequenzenergie außerhalb eines bestimmten Bandes fest, so lassen sich die Energien bei tieferen Frequenzen wesentlich vergrößern. Sind die Maximalamplituden der einzelnen zu übertragenden Modulationsfrequenzen nicht gleich groß, so kann die Charakteristik des Senders selbstverständlich dementsprechend noch modifiziert werden. Bei Sprache liegt z. B. das Amplitudenmaximum bei etwa 800 Hz und fällt von hier nach beiden Seiten hin ab. Man kann dann die Modulationsfrequenzen so verzerren, daß für jede einzelne Modulationsfrequenz die höchstzulässige Frequenzabweichung ausgenützt wird. In der Praxis wird die obere Hälfte des Frequenzbandes vorzugsweise nicht beeinflußt, da hier die erzielbare Verbesserung nur klein ist.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht darauf beschränkt, daß die Amplituden außerhalb des zulässigen Bandes kleiner als 1% der Trägeramplitude bleiben. In gleicher Weise läßt sich diese Grenze auch zu 5 oder 10% festsetzen. Auch die mit iooooHz angegebene Modulationsfrequenzbandbreite bedeutet keine Beschränkung, sondern kann beliebig gewählt werden. Aus Abb. 1 lassen sich in jedem Fall die einzuhaltenden Bedingungen ablesen.

Zur Verzerrung der Charakteristik des Senders können beliebige, hier nicht näher zu beschreibende Schaltungen angewandt werden. Lediglich ein Beispiel einer Modulationsschaltung sei an Hand der Abb. 4 gezeigt. Auf der Empfängerseite werden zur Kornpensation des ankommenden verzerrten Niederfrequenzbandes in der Praxis Schaltungen angewandt, wie sie z. B. aus der Entzerrungstechnik beim Fernsprechverkehr usw. bekannt sind. Es wird schwierig sein, die durch die Abb. 2 und 3 gestellten Bedingungen, auf die jedoch die Erfindung nicht beschränkt ist, genau zu erfüllen, jedoch kommt es auf eine genaue Einhaltung des theoretischen Optimismus nicht an; es kann auf jeden Fall eine wesentliche Empfangsverbesserung dadurch erzielt werden, daß die tiefen Modulationsfrequenzen senderseitig gegenüber den mittleren Modulationsfrequenzen bevorzugt werden.

Die zur Frequenzmodulation dienenden Senderschaltungen sind beliebig und brauchen ebenfalls nicht weiter erläutert zu werden.

Abb. 5 zeigt noch ein Prinzipschaltbild der Senderanlage, bei der der eigentliche Sender 3 von der Modulationsquelle 1 über den Amplitudenverzerrer 2 in der Frequenz moduliert wird.

In Abb. 6 ist der zugehörige Empfänger gezeichnet, bei dem die ankommenden Signale im Empfänger 1 demoduliert und das Nieder- 9» frequenzband in den Schaltungsteilen 2 entzerrt wird.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Verbesserung des Verhältnisses von Nutz- zu Störenergie bei der Nachrichtenübermittlung mittels' frequenzmodulierter Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß senderseitig die Amplituden der tieferen Signalfrequenzen gegenüber den Amplituden der höheren Signalfrequenzen in den ausgestrahlten modulierten Frequenzbändern gerade so weit angehoben werden, daß außerhalb des Modulationsfrequenzbandes die Amplituden der Seitenfrequenzen noch vernachlässigbar klein bleiben, und daß empfängerseitig nach der Demodulation eine Entzerrung des übertragenen Modulationsfrequenzbandes vorgenommen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenzen oberhalb der mittleren Modulationsfrequenz unbeeinflußt bleiben.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen