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Modulator- und Demodulatorschaltung
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ger 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 derRegel aus Gleichrichterelementen aufgebaut, die im Idealfalle eine geradlinig geknickte Kennlinie aufweisen. (Fig. 1 - 4). Durch eine Hilfsspannung - die Trägerspannung uT - werden die Gleichrichter im Takt der Trägerfrequenz auf"Durchlassen"und"Sperren"ge- tastet, so dass eine gleichzeitig angelegte modulierende Sprechspannung im gleichen Takt unterbrochen bzw. umgepolt wird. Die Sprechspannung findet sich dann in der Hüllkurve der Ausgangsspannung wieder.
Dabei entstehen an denGleichrichterzellen Vielfache derTrägerfrequenz, denen sich die Modulationsfrequenz jeweils als oberes und unteres Seitenband beigesellt. Durch Verwendung der Gegentaktschaltungen erreicht man bei idealer Symmetrie, dass sich die Trägerspannung und ihre Vielfachen aufheben und am Modulatorausgang nur die zugehörigen Seitenbänder auftreten. Wenn die Trägerfrequenz höher liegt als das Doppelte der höchsten Sprachfrequenz, so lassen sich diese einzelnen Frequenzbänder voneinander trennen, und man kann durch Filter das für die Übertragung gewünschte Seitenband aus dem Spektrum herauslösen.
Praktisch sind jedoch weder die Gleichrichterkennlinien geradlinig geknickt, noch erfolgt das Umschalten von Durchlassen auf Sperren plötzlich. 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, 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 der 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. Das Nutzseitenband (T M) wird in den meisten Fällen von dem Störseitenband 3. Ordnung (T i 3M) 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 eineVerringerung desRaüschabstandes zur Folge ; einer Erhöhung der Trägerspannung hingegen sind in den meisten Fällen durch die Belastbarkeit der Gleichrichterelemente und durch den steigenden Trägerleistungsbedarf Grenzen gesetzt.
Weitere Verfahren und Mittel zur Verwendung unerwünschter Demodulationsprodukte bringen u. a. auch die folgenden Veröffentlichungen.
1."Die kubischen Verzerrungen am Ringmodulator"von L. Cbristiansen, erschienen in"Frequenz"
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und[ 1948], S. 55-62 und
3. deutsche Patentschrift Nr. 830674, Mix & Genest, "Modulator für Zwecke der Trägerfrequenz- telefonie".
Die Erfindung macht von einer weiteren Möglichkeit zur Unterdrückung des Klirrseitenbandes 3. Ordnung Gebrauch ; 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.
Gegenstand der Erfindung ist eine Modulator- und Demodulatorschalturg mit nichtlinearen Richtleitern in Gegentakt- oder Doppelgegentaktschaltung unter Verwendung einer Trägerspannung mit nicht rechteckiger Kurvenform, bei der zwecks Verringerung der Klirrprodukte Massnahmen zur Beeinflussung der Kurvenform der Trägerspannung angewandt werden, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass zwecks Verringerung jener Klirrprodukte 3. Ordnung (T 3M), welche eine Verzerrung der Nachrichtenfrequenz darstellen, die Beeinflussung der Kurvenform der Trägerspannung in der Umgebung der Nulldurchgänge derart erfolgt, dass die positiven und negativen Flächen der Kurve, welche der Koeffizient der 3.
Potenz in der Potenzreihe der Ausgangsspannung als Funktion der Eingangsspannung, aufgetragen über der Zeit, darstellt (a |-Kurve), unter einem Sinusbogen sich nahezu aufheben.
Die Beeinflussung der Kurvenform der Trägerspannung 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 3M) des Modulators zu einem Minimum wird.
AlsSchaltelemente 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 Kondensate parallel geschaltet werden.
Durch diese Massnahmen kann man erreichen, dass die Störseitenbänder 3. Ordnung auch bei einer sinusförmigen Trägerspannung ohne nennenswerte Trägerleistungsverluste weitgehendst unterdrückt werden.
Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines einfachen Gegentaktmodulators, Fig. 2 das eines Doppel Gegentaktmodulators in bisher bekannter Schaltungsanordnung, Fig. 3 einen einfachen Gegentaktmodulator, bei dem erfindungsgemässen (Anspruch 2) in der Trägerzuleitung ein QuerkondensatorCundzwischen diesem und derTrägerstromquelle einLängswiderstandRv angeordnet ist, und Fig. 4 einen Doppel-Gegen taktmodulator, bei dem gemäss der Erfindung (Anspruch 3) in den Trägerzuleitungen je ein Längswiderstand Rv angeordnet und zu jedem der nichtlinearen Richtleiter der Modulatorschaltung ein Kondensator (Cl - C,,) parallel geschaltet ist.
In den Fig. 1 ist mit ul jeweils die Eingangsspannung und mit u. die Ausgangsspannung der Modulatorschaltung bezeichnet ; Ri stellt jeweils denEigenwiderstand des Eingangskreises und Ra den des Ausgangskreises dar ; die Spannung der Trägerstromquelle ist jeweils mit uT bezeichnet.
Die nachstehenden theoretischen Betrachtungen, denen ein einfacher Gegentaktmodulator nach Fig. 1 zu Grunde gelegt ist, sollen zum besseren Verständnis der Erfindung dienen. Für diesen lässt sich der Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung u. und Eingangsspannung u 1 durch eine Potenzreihe darstellen
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a3 in der infolge der eingangs erwähntenSchaltungssymmetrie nur noch ungerade Potenzen von ul auftreten.
Die Koeffizienten hängen von den im Stromkreis liegenden Widerständen Ra und Ri und vornehmlich von
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d. h.wicklung-nicht um konstante Koeffizienten an handelt, sondern dass die Koeffizienten dieser Reihe selbst wieder Funktionen von uz sind.
Die Verzerrung lässt sich am besten dadurch erfassen, dass man u Ul cos w t setzt und die AusgangssJ. 3annung dreifacher Frequenz, die in erster Näherung proportional dem Koeffizienten a. ist. misst,
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oder berechnet. Der Verlauf ist in Fig. 5 für einen bestimmten Abschlusswiderstand dargestellt. Man kann daraus erkennen, dass die Klirrspannung für genügend grosse Werte Uz sehr klein wird. Beim Durchlaufen der kleineren uz -Werte, insbesondere in der Umgebung der Nulidurchgänge, werden die Verzerrungen jedoch sehr gross, und es kommt wesentlich darauf an, wie lange sich die Trägerspannung uz 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 Nulldurchgänge von uz wesentlich beeinflusst wird (Fig. 6).
Stellt man nun den Verlauf des Koeffizienten as der Potenzreihe (nach den Fig. 5 und 6) über der Zeit t dar, so erhält man die Kurve nachFig. 7, die man als Modulationskurve für die 3. Harmonische der Signalspannung auffassen kann. Durch harmonische Analyse und Bestimmung der in dieser Kurve (Fig.7) enthaltenen Grundschwingung erhält man dann die Klirrseitenbandamplitude. Ein Vergleich dieser Kurve mit der in Fig. 9 dargestellten, der eine gemäss Fig. 8 verzerrte Trägerspannung zu Grunde liegt, lässt erkennen, wie man durch Beeinflussung des zeitlichen Ablaufs der Trägerspannung, insbesondere in der Nähe ihrer Nulldurchgänge, die Form der as-Kurve wesentlich beeinflussen kann.
In Fig. 9 ist der Grundwellenanteil gegenüber Fig. 7 wesentlich kleinergeworden, da sich jetzt die positiven und negativen Flächen der a-Kurve unter dem Sinusbogen nahezu aufheben.
Die inFig. 10 dargestellte Kurve zeigt den Verlauf der Zellenspannung u, 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 Fig. 6 dargestellte Verlauf der Zellenspannung ist dabei nach rechts verschoben wor- den ; dafür sind aber die Nulldurchgänge, wie in Fig. 8, näher zusammengerückt, so dass die Durchlassphase des Modulators verkürzt worden ist. Dadurch wird zwar auch die Nutzspannung etwas verkleinert, jedoch wirkt sich das nur in geringem Masse aus, da die Ränder des fast rechteckig geformten Durchlassimpulses ohnehin nur wenig zurGrundschwingungsamplitude beisteuern.
Dagegen wirken sich bereits kleine Verschiebungen der beiden schmalen Zipfel der a-Kurve relativ stark aus, da 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 sonstigenModulatoreigenschaften (Dämpfung und 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 erfindungsgemässenSchaltungsanordnmg die gleiche Wirkung mit einem Leistungsaufwand von nur etwa 30 mW erreicht wird ; mit der Erfindung wird also eine ganz erhebliche Einsparung an Trägerleistung erzielt.
- PATENTANSPRÜCHE :
1. Modulator- und Demodulatorschaltung mit nichtlinearen Richtleitern in Gegentakt- oder Doppelgegentaktschaltung unter Verwendung einer Trägerspannung mit nicht rechteckiger Kurvenform, bei der zwecks Verringerung der Klirrprodukte Massnahmen zur Beeinflussung der Kurvenform der Trägerspannung angewandt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Verringerung jener Klirrprodukte 3. Ordnung (T : 3M), welche eine Verzerrung der Nachrichtenfrequenz darstellen. die Beeinflussung der Kurvenform der Trägerspannung in der Umgebung der Nulldurchgänge derart erfolgt, dass die positiven und negativen Flächen der Kurve, welche der Koeffizient der 3.
Potenz in der Potenzreihe der Ausgangsspannung als Funktion der Eingangsspannung, aufgetragen über der Zeit, darstellt (a,-Kurve), unter einem Sinusbogen sich nahezu aufheben.
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