DEF0014882MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 4. Juni 1954 Bekanntgemacht am 13. Dezember 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung betrifft eine Modulator- und Demodulatorschaltung mit nicht linearen Richtleitern in Gegentakt- oder Doppelgegentaktischaltung unter Verwendung einer Trägerspannung mit nicht rechteckiger Kurvenform.

Derartige Modulatoren dienen in der TF-Technik dazu, das Sprachfrequenzband in eine für die Übertragung günstigere Frequenzlage zu verschieben bzw. aus der Übertragungslage wieder in die hörgerechte Normallage zurückzuführen. Sie werden in der Regel aus Gleichrichterelementen aufgebaut (Abb. ιa und ib), die im Idealfalle eine geradlinig geknickte Kennlinie aufweisen (Abb. 2). Durch eine Hilfsspannung — die Trägerspannung u_T — werden die Gleichrichter im Takt der Trägerfrequenz auf »Durchlassen« und »Sperren« getastet, so daß eine gleichzeitig angelegte modulierende Sprechspannung im gleichen Takt unterbrochen bzw. umgepolt wird (Abb. ic bzw. id). Die Sprechspanniung findet sich dann in der Hüllkurve der Ausgangsspannung wieder. Dabei entstehen an den Gleichrichterzellen Vielfache der Trägerfrequenz, denen sich die Modulationsfrequenz jeweils als oberes und unteres Seitenband beigesellen (Abb. 3). Durch Verwendung der Gegentaktschaltungen (Abb. 1 a und 1 b) erreicht man bei idealer Symmetrie, daß sich die Trägerspannung und ihre Vielfachen aufheben und am

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Modulatorausgang mir die zugehörigen Seitenbän-,der auftreten. Wenn die Trägerfrequenz höher liegt als das Doppelte der höchsten Sprachfrequenz, so lassen sich diese einzelnen Frequenzbänder voiieinander trennen und man kann durch Filter das für die Übertragung gewünschte Seitenband (z. B.

das in Abb. 3 schraffierte) aus dem Spektrum her-

, auslösen.

Praktisch sind jedoch weder die Gleichrichterkennlinien geradlinig geknickt, noch erfolgt das Umschalten von Durchlassen auf Sperren plötzlich (Abb. 4).. Das hat zur Folge, daß der von der Sprechspannung durch die Gleichrichter getriebene Strom und damit die Ausgangsspannung verzerrt werden. Das tatsächliche Spektrum enthält somit nicht nur die Seitenbänder, 1. Ordnung nach Abb. 3, sondern auch solche höherer Ordnung, wodurch Verzerrungen der Signalspannung und Übersprechen in Nachbarkanäle verursacht werden. Um diese zu vermeiden, müssen an Modulatoren, mit denen breite Frequenzbänder umgesetzt werden sollen, besonders hohe Anforderungen bezüglich dler Klirrfreiheit gestellt werden. . ....

Durch symmetrischen Aufbau der Modulatoren lassen sich zwar die Seitenbänder gerader Ordnung weitgehendst unterdrücken; die: Seitenbänder ungerader Ordnung, insbesondere das 3. Ordnung, bleiben jedoch in der Ausgangsspannung noch bestehen. Wie aus Abb. 5 ersichtlich, wird das Nutzseitenband (T + M) in den meisten Fällen von dem Störseitenband 3. Ordnung (T + 3 M) überlappt, so daß es von diesem durch Filter nicht mehr getrennt werden kann.

Die Erfindung bezweckt nun 'die Unterdrückung dieser Modulationsprodukte der 3. Harmonischen der Modulationsfrequenz.

Die Unterdrückung dieser Störseitenbänder könnte sowohl durch Verringerung der Signalspannung als auch durch Erhöhung der Trägerspannung bewirkt werden; eine Herabsetzung der Signalspannung hat aber eine Verringerung des Rauschabstandes zur Folge; einer Erhöhung der Trägerspannung hingegen sind in den meisten Fällen durch die Belastbarkeit der Gleichrichtereiemente und durch den steigenden Trägerleistungsbedarf Grenzen gesetzt.

Die Erfindung vermeidet auch diese beiden Nachteile, indem sie von einer weiteren Möglichkeit zur Unterdrückung des Klirrseitenbandes 3. Ordnung Gebrauch macht; diese ergibt sich aus dem Verlauf der für das Auftreten des Klirrtons verantwortlichen Kennlinienableitungen der Gleichrichter in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt; diese Ableitungen nehmen positive und negative Werte an, die sich je nach der Kurvenform der Trägerspannung gegenseitig mehr oder weniger aufheben können. ■

Hieraus ergibt sich der grundlegende Ernndungsgedanke, die Klirrdämpfung des Modulators durch Beeinflussung der Kurvenform der Trägerspannung, insbesondere in der Umgebung ihrer Nulldurchgänge, so zu beeinflussen, daß dadurch die Störseitenbänder 3. Ordnung unterdrückt werden.

Die Beeinflussung der Kurvenform der Träger- ■ spannung kann erfindungsgemäß entweder durch in der Trägerzuleitung angeordnete Schaltelemente oder dadurch bewirkt werden, daß der Trägerspannung eine ihrer Oberwellen mit solcher Amplitude und Phase überlagert wird, daß das Klirrprodukt 3. Ordnung (T + 3 M) des Modulators zu einem Minimum wird.

Als Schaltelemente zur Beeinflussung der Kurvenform der Trägerspannung können beispielsweise entweder in der Trägerzuleitung ein Querkondensator und zwischen diesem und der Trägerstromquelle — in an sich bekannter Weise ■— ein Längswiderstand angeordnet, oder — ebenfalls in Verbindung mit, dem an sich bekannten Längswiderstand zur Begrenzung des Trägerstroms — zu jedem der nichtlinearen Richtleiter der Modulatorschaltung ein Kondensator parallel geschaltet werden.

Es sind an sich bereits verschiedene Verfahren und Schaltungsanordnungen ' zur Unterdrückung von Störseitenbänderrii' bekanntgeworden, jedoch dienen alle diese bereits bekannten Schaltungsanordnungen zur Unterdrückung anderer Störseitenbänder, z. B. der Sei.tenbänder 1. Ordnung von Vielfachen der Trägerfrequenz (n T + M). Diesen Störfrequenzen kommt aber nicht die Be- go deutung zu, wie den Störseitenbändern 3· Ordnung; außerdem, werden bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen zur Unterdrückung der Störfrequenz auch nicht die gleichen Mittel bzw. Maßnahmen angewandt, die gemäß der Frfindung zur Unterdrückung der Störseitenbänder 3. Ordnung (T ±.2, M). dienen. . - '.'■'■:■

Andere bereits bekannte Schaltungsanordnungen zur Unterdrückung von Störfrequenzen setzen die Verwendung einer Trägerspannung mit rechteckiger Kurvenform voraus. Eine rechteckige Kurvenform der Trägerspannung kann aber nur mittels einer Amplitudenbegrenzerschaltung aus einer Trägerspannung mit sehr steilen Flanken gewonnen werden, was aber wiederum eine große Trägerleistung erfordert.

Durch die Erfindung sollen aber gerade derartige Trägerleistungsverluste vermieden werden. Der wesentliche Vorteil der Erfindung gegenüber diesen bekannten Schaltungsanoordnungen besteht also darin, daß durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Unterdrückung der. Störseitenbänder 3. Ordnung auch bei einer sinusförmigen Trägerspannung ohne nennenswerte Trägerleistungsverluste erreicht wird.

Die nachstehenden theoretischen Betrachtungen, denen ein einfacher Gegentaktmodulator nach Abb. ι a zugrunde gelegt ist, sollen zum besseren Verständnis der Erfindung dienen. Für diesen läßt sich der Zusammenhang zwischen Ausgangs spannung M₂ und Eingangsspannung U₁ durch eine Potenzreihe darstellen .

u-₂ — a_± (u_z) U₁ + a₃ (u_z) M₁ ³ + a_s (u₂) U₁ ⁵ + ...,■

in der infolge der eingangs erwähnten Schaltungssymmetrie nur noch ungerade Potenzen von U₁ auf-

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treten. Die Koeffizienten hängen von den im Stromkreis liegenden Widerständen R₀ und R_t und vornehmlich von der Zellenspannung u_z ab. Die Verzerrung läßt sich am besten dadurch erfassen, daß man U₁ = U₁ cos ω t setzt und die Ausgangsspannung dreifacher Frequenz, die in erster Näherung porportional dem Koeffizienten a₃ ist, mißt oder berechnet. Der Verlauf ist in Abb. 6 für einen bestimmten Abschlußwiderstand dargestellt. Man

ίο kann daraus erkennen, daß die Klirrspannung für genügend große Werte [ U₂ | sehr klein wird. Beim Durchlaufen der kleineren | u_z [-Werte, insbesondere in der Umgebung der Nulldurchgänge, werden die Verzerrungen jedoch sehr groß und es kommt wesentlich darauf an, wie lange sich die Trägerspannung u₂ in diesem Gebiet aufhält. Diese Verweilzeit wird jedoch auch bei wachsender Trägeramplitude (Sinuskurvenform vorausgesetzt) kleiner, wobei aber der Zellenstrom stark ansteigt, wodurch die Zellen unnötig belastet und die Trägerleistung außerordentlich vergrößert werden würde. Dieser Nachteil läßt sich — wie an sich bereits bekannt — durch Einschaltung ohmscher Widerstände in die Trägerzuleitung(en) vermeiden; durch diese Maßnahme wird der Trägerstrom in der Durchlaßphase begrenzt, ohne daß die Steilheit der Niulldurchgänge von u_z wesentlich beeinflußt wird (Abb. 7).

Stellt man nun den Verlauf des Koeffizienten a₃ der Potenzreihe (nach den Abb. 6 und 7) über der Zeit t dar, so erhält man die Kurve nach Abb. 8, die man als Modulationskurve für die 3. Harmonische der Signalspannung auffassen kann. Durch harmonische Analyse und Bestimmung der in dieser Kurve (Abb. 8) enthaltenen Grundschwingung erhält man dann die Klirrseitenbandamplitude. Ein Vergleich dieser Kurve mit der in Abb. 9 b dargestellten, der eine gemäß Abb. 9a. verzerrte Trägerspannung zugrunde liegt, läßt erkennen, wie man durch Beeinflussung des zeitlichen Ablaufs der Trägerspannung,- insbesondere in der Nähe ihrer Nulldurchgänge, die Form der a₃-Kurve wesentlich beeinflussen kann. In Abb. 9b ist der Grundwellenanteil gegenüber Abb. 8 wesentlich kleiner geworden, da sich jetzt die positiven und negativen Flächen der a₃-Kurve unter dem Sinusbogen nahezu aufheben.

Die in Abb. 11 dargestellte Kurve zeigt den Verlauf der Zellenspannung u₂, der bereits durch die Anordnung einer Querkapazität im Trägereingang oder die Parallelschaltung von Kondensatoren zu den Gleichrichterelementen in Verbindung mit einem Begrenzungswiderstand in der Trägerzuleitung erreicht werden kann. Der in Abb. 7 b dargestellte Verlauf der Zellenspannung ist dabei nach rechts verschoben worden; dafür sind aber die Nulldurchgänge, wie in Abb. 9 a, näher zusammengerückt, so daß die Durchlaßphase des Modulators verkürzt worden ist. Dadurch wird zwar auch die

^ßo Nutzspannung etwas verkleinert, jedoch wirkt sich das nur in geringem Maße aus, da die Ränder des fast rechteckig geformten Durchlaßimpulses ohnehin nur wenig zur Grundschwingungsamplitude beisteuern. Dagegen wirken sich bereits kleine Verschiebungen der beiden schmalen Zipfel der a_s~ Kurve relativ stark aus, dia sie ja fast den einzigen Beitrag zur Grundschwingung bilden.

Die parallel zu den kapazitätsarmen Gleichrichterzellen geschalteten Kapazitäten sind so bemessen, daß sie sich auf die sonstigen Modulatoreigenschaften (Dämpfung, Trägerrest) nicht nachteilig auswirken. Um durch Erhöhung der Trägerspannung eine ausreichende Klirrdämpfung zu erreichen, wäre eine Trägerleistung von etwa 200 mW erforderlich, während mit der erfindüngsgemäßen Schaltungsanordnung die gleiche Wirkung mit einem Leistungsaufwand von nur 30 mW erreicht wird; mit der Erfindung wird also eine ganz erhebliche Einsparung von Trägerleistung erzielt.

Abb. 12 zeigt Meßergebnisse über den Einfluß einer veränderlichen Kapazität C parallel zum Trägereingang bei einem einfachen Gegentaktmodulator mit reellem Abschlußwiderstand.

Die Abb. ioaund iob zeigen zwei experimentell gewonnene Trägerspannungskurven, bei denen der Grundschwingung je eine 6. Harmonische ih verschiedener Phasenlage überlagert ist. Die in beiden Fällen gemessenen Klirrspannungen verhalten sich etwa wie 1 : 10.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   1. Modulator- und Demodulatorschaltung mit nicht linearen Richtleitern in Gegentakt- oder Doppelgegentaktschaltung unter Verwendung einer Trägerspannung mit nicht rechteckiger Kurvenform, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung des Klirrproduktes

   3. Ordnung (Γ + 3M) in der Trägerzuleitung Schaltelemente zur Beeinflussung der KurvenfoTm der Trägerspannung, insbesondere in der Umgebung der Nulldurchgänge, angeordnet sind.

   2. Modulator- und Demodulatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Trägerzuleitung ein Querkondensator, und zwischen diesem und der Trägerstromquelle ein Längswiderstand angeordnet ist.

   3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Trägerzuleitung ein Längswiderstand angeordnet und zu jedem der nicht linearen Richtleiter der Modulatorschaltung ein Kondensator parallel geschaltet ist.

   4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Kondensatoren so bemessen ist, daß das Nutzseitenband nicht merklich beeinflußt wird.

   5. Modulator- und Demodulatorschaltung mit nicht rechteckiger Kurvenform der Trägerspannung unter Verwendung nicht linearer Richtleiter in Gegentakt- oder Doppelgegentaktschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger spannung eine ihrer Oberwellen mit solcher Amplitude und Phase überlagert wird,

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   daß das Klirrprodukt 3. Ordnung (T ± 3 M) des Modulators zu einem Minimum wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 830 674, 879 400; französische Patentschrift Nr. 783717;

   britische Patentschriften Nr. 491 103, 622 711;

   Henkler, »Anwendung der Modulation beim Trägerfrequenzfernsprechen auf Leitungen«, Leipzig 1948, S. 10;

   Henney, »Radio- Engineering Handbook«, New York 1950, S. 36, 37, 487, 488.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen