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Breitband-Diskriminator von hoher Linearität
Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Breitband-Diskriminators für Zwischenfrequenz, wel- cher in Breitband-Mikrowellen-Mehrkanalverbindungen als Demodulator auch den Anforderungen in Über- tragungssystemen höheren Anspruchs (z. B. 600 Fernsprechkanäle bzw. Farbfernsehen) entspricht.
Als Einleitung zur ausführlichen Beschreibung der Erfindung ist es zweckmässig, gewisse Definitionen und Begriffe festzuhalten, sowie für ähnliche Zwecke angewendete Schaltungssysteme zu erörtern, um die neue Schaltungsmethode von mehreren Gesichtspunkten auswerten zu können.
1m Anfangsstadium der Entwicklung von Mikrowellen-Mehrkanaleinrichtungen ist der sogenannte Breitband-Diskriminator entstanden. Dieses Schaltungssystem ist eigentlich eine spezielle, verbesserte
Abwandlung der zur Demodulation frequenzmodulierter Signale angewendeten Schaltungen. Hier wird, ähnlich den meisten Frequenz-Demodulatoren, die Demodulation derart durchgeführt, dass das frequenz- modulierte Signal in einen Stromkreis eingespeist wird, in welchem sich proportional zur Frequenzände- rung auch die Amplitude ändert und die entstehende Amplitudenänderung als Modulation auf dieselbe einfache Weise detektiert wird, wie dies bei der Demodulation der amplitudenmodulierten Signale üb- lich ist.
In den Fig. 1 und 2 sind die Schaltungen von zwei der gebräuchlichsten Bauarten des Breitband-De- modulators dargestellt. Die zur Demodulation erforderliche frequenzabhängige Impedanz zur Erzeugung der Amplitudenschwankung ist von zwei parallelen Schwingungskreisen 1 und 2 gebildet. Die Pentoden 3 dienen dazu, einen Strom konstanter Amplitude, dessen Frequenz mit der augenblicklichen Frequenz des jeweiligen, zu demodulierenden Signals identisch ist, in die zwei parallelen Schwingungskreise zu speisen, in welchen eine Spannung entsteht, deren Amplitude unter Wirkung des Speisestromes der Frequenz- änderung proportional ist. An die Schwingungskreise sind Diodenkreise geschaltet, durch welche die frequenzbedingte Spannungsänderung detektiert wird.
Auf diese Art entsteht an der Klemme des Diskrimi- nators eine Spannung, die der Frequenz des zugeführten Signals proportional ist.
Es ist üblich, die Güte des Diskriminators mittels zweier Kennzahlen zu bestimmen. Eine dieser beiden ist die Linearität ; diese Zahl zeigt an, wie weit die Spannungsänderung am Ausgang des Diskriminators als lineare Funktion der Frequenzänderung am Eingang betrachtet werden kann ; die zweite Kennzahl ist die Steilheit des Diskriminators ; diese Zahl ist gleich jener Spannungsänderung am Ausgang, welche durch die Einheit der Frequenzänderung am Eingang hervorgerufen wird. Es gilt daher jene Bauart als guter Diskriminator, welche bei strenger Linearität auch eine hohe Steilheit aufweist. Wie dies aus den Definitionen folgt, besteht zwischen Linearität und Steilheit ein enger Zusammenhang.
In jenem Frequenzbereich, in welchem sich der Diskriminator linear verhält, ist die Steilheit, d. h. die durch die Einheit der Eingangsfrequenzänderung hervorgerufene Ausgangsspannung, konstant. Natürlich schwankt die Steilheit in einem Frequenzgebiet zwischen gewissen Fehlergrenzen. Es wird eben dieser Fehler, bzw. die Schwankung der Steilheit-u. zw. zweckmässig in Prozenten des maximalen Steilheitswertes innerhalb des bestimmten Frequenzgebietes ausgedrückt-in der Praxis als Linearität bezeichnet.
Die Linearität der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Schaltungen hängt vor allem davon ab, wie weit bei der gegebenen Einstellung die Impedanz-Differenz der zwei parallelen Schwingungskreise eine lineare Funktion der Frequenz ist. Es werden nämlich durch die zwei Detektorkreise die entstandenen Spannungsschwankungen mit entgegengesetztem Vorzeichen addiert. Das Mass der Steilheit ist einerseits vom Ab-
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stand zwischen den Resonanzfrequenzen der beiden Schwingungskreise und vom Gütegrad derselben ab- hängig ; anderseits ist es proportional der Amplitude des den parallelen Schwingungskreisen zugeführten
Wechselstromes. In der Regel ist die Stromamplitude von der Frequenz unabhängig ; ihr Wert ist von der
Güte der den Diskriminator speisenden Elektronenröhre 3 abhängig.
Demnach ist die Steilheit des Dis- kriminators eine lineare Funktion der Wechselstromkomponente des Anodenstromes der Elektronenröhre- im folgenden kurz als Anodenstrom bezeichnet-falls der Anodenstrom unabhängig von der Frequenz konstant ist.
In Fig. 3 wird die Steilheitsschwankung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Diskriminatoren bei drei extremen Einstellungen als Funktion der Frequenz gezeigt. Auf der Abszisse bedeutet fo die Träger- frequenz des zu demodulierenden Signals ; f1 und fz bedeuten die Grenzen der maximalen Frequenzän- derung. Die Einstellung gemäss den Kurven 1 und 2 entspricht nicht den gestellten Ansprüchen, weil die
Steilheitsschwankung im Frequenzgebiet fi- zu gross ist. Die Kurve 3 zeigt die optimale Einstellung.
Ein Diskriminator, auf die optimale Steilheitsschwankung eingestellt, ist als Demodulator geeignet, u. zw. in Breitband-MikrowelIen-Mehrkanalverbindungen, in welchen die übertragene Information maxi- mal 240 Femsprechkanäle oder aber Schwarz-Weiss-Fernsehsignale enthält.
Bei höheren Ansprüchen, wenn nämlich 600 oder mehr Fernsprechkanäle, oder aber Farbfernsehsi- gnale als Information übertragen werden sollen, können die Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 diesen
Anforderungen nicht entsprechen. Deshalb war es nötig, für Einrichtungen dieser Art eine neue Bauart des Breitband-Diskriminators, u. zw. höheren Gütegrades auszubilden.
Vor der Beschreibung einiger auch höheren Ansprüchen entsprechender Schaltungen soll hier noch der Zusammenhang analysiert werden, durch welchen die möglichen Grenzen des Gütegrades der in den
Fig. 1 und 2 gezeigten Bauarten bestimmt werden. Es sollen die Einstellungen nach Fig. 3 näher unter- sucht werden. Es ist nachweisbar, dass die Steilheitsfunktion der mit den in den Fig. 1 und 2 gezeigten
Schaltungen arbeitenden und mit zwei parallelen Schwingungskreisen kombinierten Diskriminatoren höch- stens fünf Extremwerte aufweist. Diese Extremwerte sind in Fig. 3 dargestellt. Bei Untersuchung der drei angenommenen Einstellungen kann man feststellen. dass das Mass der Steilheitsschwankung stark von der Lage der Extremwerte abhängt.
Offenbar ergibt sich die optimale Einstellung aus der optimalen Wahl der Lagen der fünf Extremwerte und aus der optimalen Einstellung des Gütefaktors der beiden Schwingungs- kreise. Es fragt sich, wäre es nicht möglich, im Frequenzgebiet fi-fez eine noch kleinere Steilheitschwankung derart einzustellen, dass man eine Steilheitsfunktion mit mehr als fünf Extremwerten erhält, und die Lagen dieser Extremwerte derart zu bestimmen. dass hiedurch wiederum eine optimale Einstellung entsteht. Mit Hilfe von hier nicht dargelegten Überlegungen kann bewiesen werden, dass es möglich ist, die Steilheitsschwankung der Diskriminatoren auf diese Weise zu mindern, und ferner, dass dies der einzig gangbare Weg ist.
Diese Lösung wird bei den aus der Literatur bekannten neueren Schaltungen angewendet und dieses Verfahren wird auf eine von der bisher bekannten abweichende Weise auch in der Erfindung angewendet.
Nun ist das Problem zu lösen, wie es möglich wäre, einen Diskriminator derart einzustellen, dass die Steilheitsfunktion mit mehr als fünf Extremwerten erscheint. Durch nähere Betrachtung der Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 kann festgestellt werden, dass die fünf Extremwerte durch die Impedanz-Differenz der beiden parallelen Schwingungskreise bedingt sind, da der andere Faktor der Steilheitsfunktion, nämlich der Anodenstrom, konstant ist. Zur Herabsetzung der Steilheitsschwankung gibt es zwei Lösungen.
Die erste besteht darin, dass unter Beibehaltung eines Anodenstromes konstanter Amplitude die frequenzabhängige Änderung der Amplitude statt durch zwei parallele Schwingungskreise mit Hilfe einer frequenzabhängigen Impedanz hervorgerufen wird, welche als Funktion der Frequenz mehr als fünf Extremwerte aufweist, und für die auch die Steilheitsfunktion die gleiche Anzahl von Extremwerten aufweist. Diese Lösung ist bei den aus der Literatur bekannten Verbindungen gebräuchlich, von denen die zwei am meisten verbreiteten Bauarten in den Fig. 4 und 5 gezeigt sind.
Diese Ausführungsformen sind aber wegen den zusätzlichen Impedanzen im Anodenkreis mit Leistungsverlust behaftet. Deshalb verlangen sie zum Erreichen der gleichen Steilheit eine höhere Anodenstromaussteuerung, was in der Regel nur unter Anwendung von Röhren mit grösserer Steilheit erreicht werden kann.
In der andern Lösungsart wird der Anodenstrom frequenzabhängig gemacht, u. zw. derart, dass dieser Strom als Funktion der Frequenz an geeigneter Stellung einen extremen Wert, ein Maximum oder ein Minimum, annimmt, wobei die zur Demodulation erforderliche frequenzabhängige Impedanz auch weiter durch zwei parallele Schwingungskreise geliefert wird. Nun wird in diesem Fall die Steilheitsfunktion
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mehr als fünf Extremwerte aufweisen. Auch die Erfindung ist auf diese Lösungsart aufgebaut. Der
Anodenstrom wird dadurch frequenzabhängig gemacht, dass man eines der Gitter, welche in einer Mehr- gitterröhre für den Wechselstrombetrieb an Erdpotential geschaltet sind, durch Zwischenschaltung einer frequenzabhängigen Impedanz erdet, wodurch der Anodenstrom der Mehrgitterröhren frequenzabhängig gemacht wird.
Mit Hilfe dieser Anordnung entsteht im Gitter unter der Wirkung des das betreffende Git- ter durchströmenden Wechselstromes bzw. infolge der durch den Anodenstrom hervorgerufenen Raumla- dungskopplung eine Spannung, deren Frequenz mit der des Anodenstromes identisch ist, wobei aber die
Spannungsamplitude als Funktion der Frequenz veränderlich wird ; da die Spannung auf den Anodenstrom zurückwirkt, wird auch der Anodenstrom frequenzabhängig. Die Frequenzabhängigkeit ist nun eine Funk- tion der Einstellung der zwischen dem betreffenden Gitter und Erde geschalteten Impedanz.
Die durch die Raumladungskopplung bedingte Anodenstromänderung führt eine überraschend hohe
Gütezunahme bei Breitbandzwischenfrequenz-Diskriminatoren herbei. Durch die frequenzabhängige Im- pedanz zwischen einem nichtsteuernden Gitter der Antriebselektronenröhre und Erde wird nämlich der
Anodenstrom praktisch ohne Leistungsverlust frequenzabhängig, wodurch die Steilheitsfunktion mehr als fünf Extremwerte aufweist. Wäre dagegen im Anodenkreis die Anzahl der Impedanzkomponenten vergrö- ssert, könnten Schwankungen der Steilheit bei gleicher Anodenstromamplitude lediglich durch eine we- sentliche Verringerung des absoluten Wertes der Diskriminatorsteilheit erreicht werden.
Dies stellt aber einen sehr wichtigen Umstand dar, weil bei breitbandigen Diskriminatoren der Rauschpegel der gleich- richtenden Dioden und der Verstärker nach dem Diskriminator nur wenig verringert werden kann und des- halb das Signal/Geräuschverhältnis lediglich bei Beibehaltung der Steilheit des Diskriminators am ge- wünschten Wert gehalten werden kann. Die Möglichkeit der Verwendung eines Anodenstromes mit grö- sserer Amplitude wird wieder durch die Steilheit der im Handel in der Regel zur Verfügung stehenden
Elektronenröhren begrenzt.
Die spezielle Wirkung der erfindungsgemässen Schaltung gemäss der beschriebenen Theorie ist auch durch Versuche bestätigt worden, die erweisen, dass durch eine frequenzabhängige Impedanz im dritten
Gitterkreis die Schwankung der Steilheit auf ein Drittel verringert werden kann, wobei der absolute Wert der Steilheit nur unwesentlich abnimmt. Dies ist aber sowohl technisch wie auch wirtschaftlich von gro- ssem Vorteil.
Die Herabsetzung der Steilheitsschwankung geschieht bei Diskriminatoren, deren Schaltung in den
Fig. 6 und 7 gezeigt ist, durch Bildung eines frequenzabhängigen Anodenstromes in der oben beschriebe- nen Weise. Diese zwei Schaltungen bzw. deren Abwandlungen bilden den Gegenstand der Erfindung. In der Schaltung nach Fig. 6 wird zur Speisung des Diskriminators eine zweianodige Pentode 1 angewendet.
Die zur Demodulation erforderliche frequenzabhängige Impedanz ist in beiden Anodenkreisen durch je einen parallelen Schwingungskreis 2,3 verkörpert, und die für die Bildung eines frequenzabhängigen
Anodenstromes erforderliche Impedanz ist als ein Reihenschwingungskreis 5 ausgebildet, welcher zwi- schen dem dritten Gitter 4 der Elektronenröhre und Erdpotential eingeschaltet ist. Der parallelgeschaltete
Widerstand 6 dient nur zur sicheren Einstellung des dritten Gitters bezüglich der Gleichspannung.
In der Schaltung nach Fig. 7 sind zwei besondere Pentoden 1, 2 zur Speisung des Diskriminators vorgesehen. Ähnlich der Anordnung nach Fig. 6 wird auch bei diesen Anodenkreisen je ein paralleler Schwin- gungskreis 3,4 als frequenzabhängige Impedanz zur Demodulation angewendet. Zur Bildung je eines fre- quenzabhängigen Anodenstromes dienen je ein Reihenschwingungskreis 7,9, welche zwischen dem dritten
Gitter 5 bzw. 6 der Pentoden und Erdpotential eingeschaltet sind. Die Widerstände 8, 10 sind zur sicheren Einstellung der dritten Gitter der Pentoden bezüglich der Gleichspannung angeordnet. Die Schaltung nach Fig. 7 kann derart variiert werden, dass man die dritten Gitter beider Pentoden miteinander koppelt und die gemeinsame Erdung durch eine frequenzabhängige Impedanz besorgt.
Die Schaltungen nach den Fig. 6 und 7 kann man auch derart variieren, dass man als Impedanz zwischen dem dritten Gitter und Erde den
Schwingungskreis nicht in Reihenschaltung, sondern parallel einbaut, oder aber eine Impedanz aus mehreren Elementen anordnet. Es muss bemerkt werden, dass man zur Herabsetzung der Steilheitsschwankung die Bildung eines frequenzabhängigen Anodenstromes nicht nur bei Diskriminatoren mit Erfolg anwenden kann, bei welchen die Demodulations-Impedanz aus zwei parallelen Schwingungskreisen besteht, sondern auch bei Schaltungen, in welchen zum gleichen Zweck Impedanzen komplizierterer Bauart angeordnet sind.
Die Diskriminatoren, deren Bauart den Schaltungen nach den Fig. 6 und 7 entspricht, haben sich auf Grund der durchgeführten Messungen als mit den Anordnungen nach den Fig. 4 und 5 gleichwertig erwiesen.
Kurz zusammengefasst betrifft die Erfindung einen Breitband-Diskriminator von hoher Linearität, bei
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dem abweichend von den bisher angewendeten Diskriminatoren zur Einstellung der Steilheitsschwankung einerseits die zur Demodulation erforderliche frequenzabhängige Impedanz entsprechend eingestellt wird, anderseits zugleich die Amplitude des durch die Impedanz geführten Wechselstromes in der Weise frequenzabhängig gemacht wird, dass zwischen dem dritten Gitter der Pentode oder den Pentoden und dem Erdpotential eine entsprechend eingestellte frequenzabhängige Impedanz eingeschaltet ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Breitband-Diskriminator von hoher Linearität, in welchem die zur Demodulation erforderliche frequenzabhängige Impedanz aus zwei oder mehr frequenzabhängigen Impedanzen besteht, welche zu- gleich Anodenimpedanzen einer oder zweier Mehrgitterröhren sind, wobei zur Verbesserung der Linearität noch zusätzlich eine oder zwei Impedanzen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Steilheitsschwankung des Diskriminators einerseits durch entsprechende Einstellung der Anodenimpedanzen, anderseits durch Einstellung einer oder mehrerer frequenzabhängiger Impedanzen geschieht, welche zwischen einem der nicht als Steuergitter dienenden Gitter einer oder beider Mehrgitterröhren und.
Erde bzw. einem für die Trägerfrequenz des zu demodulierenden Signals Erdpotential führenden Punkt eingeschaltet ist bzw. sind.