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Empfangsschaltung für kompatible Rundfunk-Stereophonie
Für die kompatible Stereophonie benutzt man bekanntlich einen Summenkanal (auch Mittenkanal oder Tonkanal genannt) und einen Differenzkanal (auch Seitenkanal oder Richtungskanal genannt). Die Kanäle werden entweder von hiefür geeigneten Mikrophonen (mit Kugel- bzw. Achtercharakteristik) oder durch Summen- und Differenzbildung der Spannungen von gewöhnlichen Mikrophonen gewonnen. Bei der Rundfunk-Stereophonie werden, wie bekannt, solche niederfrequenten Kanäle ebenfalls verwendet.
Ein bekanntes Verfahren für die Rundfunk-Stereophonie (Zeitschrift NTZ, Nachrichtentechnische Zeitschrift 1961, Seite 379-380), besteht darin, den Hauptträger des Senders folgendermassen zu modulieren :
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2. mit einer Zwischenträgerfrequenz (38 kHz), auf der das Differenzsignal NFD durch Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger übertragen wird, nachfolgend als "Zwischenträgersignal" bezeich- net,
3. mit einer Pilotfrequenz (19 kHz) von der halben Zwischenträgerfrequenz.
Zur Wiedergewinnung der Lautsprecherkanäle auf der Empfangsseite sind zwei Methoden bekannt.
Bei der ersten Methode werden die erwähnten drei Modulationsanteile durch Filter voneinander getrennt.
Dann wird die in der Frequenz verdoppelt Pilotfrequenz zum Zwischenträgersignal hinzugefügt und dieses Gemisch durch Gleichrichtung in der üblichen Weise demoduliert (additive Gleichrichtung), so dass das Differenzsignal NFD entsteht. Schliesslich werden aus dem Summensignal NFS und dem Differenzsi- gnalNF in einer sogenannten Matrix durch Summen- und Differenzbildung der Rechts- und Linkskanal, also die beiden Lautsprecherkanäle, gewonnen (Zeitschrift NT 1961, Seite 380, Bild 1).
Die zweite bekannte Methode beruht darauf, dass ein Frequenzmultiplexverfahren mit direkter Übertragung des Summensignals (d. h., durch direkte Modulation des Hauptträgers) und mit Amplitudenmodulation des Zwischenträgers mit dem Differenzsignal im Ergebnis bekanntlich bei gleichen Amplituden des Rechtssignals (und Linkssignals) im Summensignal und im Zwischenträgersignal identisch ist mit einem Zeitmultiplexverfahren mit periodischer Umschaltung zwischen dem Rechts-und Linkssignal (im Takte der Zwischenträgerfrequenz des Frequenzmultiplexverfahrens) bei Unterdrückung der Harmonischen der Umschaltfrequenz und ihrer Modulation (Zeitschrift NTZ, 1961, Heft 3, Seite 129-141, insbesonders Seite 132 und Zeitschrift Audio, Juni 1961, Seite 21-23).
Bei der zweiten Methode wird aus dem gesamten, durch Demodulation der empfangenen Hochfrequenz erhaltenen Stereophoniesignal nur die Pilotfrequenz (19 kHz) ausgesiebt. Sie wird verdoppelt (38 kHz) und damit das verbliebene Stereophoniesignal, also das Summensignal NFS und das Zwischenträgersignal, zusammen dadurch demoduliert, dass diese beiden Signale zusammen im Takte der Frequenz von 38 kHz mitHilfe einer Röhre mit Strahlablenkung abwechselnd auf die beiden Lautsprecherkanäle geschaltet werden (Zeitschrift Funkschau 1961, Seite 466-437, Bild 4 und Zeitschrift Electronics, 18. August 1961, Seite 45-47, Fig. 3).
Bei einer solchen multiplikativen Demodulation geschieht gleichzeitig die zur Gewinnung der beiden Lautsprecherkanäle erforderliche Summen- und Differenzbildung. Allerdings wird dabei den beiden Ausgängen der Strahlröhre noch das Summensignal gegenphasig mit einer bestimmten Amplitude zuge-
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setzt (von der Kathode der Strahlröhre aus), damit das für die Summen- und Differenzbildung erforder- liche Amplitudenverhältnis vorhanden ist.
Diese Demodulationsmethode hat den Vorteil, dass die bei der ersten Methode erwähnten Filter und die dadurch erforderlichen Mittel zum Ausgleich des Laufzeitunterschiedes im Summen- und Differenz- kanal fortfallen und ferner die auf der Pilotfrequenz (19 kHz) sitzenden Störungen nicht zum Ausgang gelangen können. Ausserdem kommen die Störungen auf den geradzahligen Harmonischen des Zwischen- trägers (38 kHz) nicht durch, weil die Röhre trotz sinusförmigen Zwischenträgers praktisch rechteckför- mig umschaltet und eine Wechselspannung mit rechteckförmigem Verlauf nur ungeradzahlige Harmoni- sche enthält. Nachteilig ist jedoch, dass als elektronischer Schalter die erwähnte spezielle Röhre mit
Strahlablenkung erforderlich ist, wodurch der Aufwand gegenüber der ersten Methode merklich erhöht ist.
Die Erfindung beseitigt diesen Nachteil der oben beschriebenen zweiten Methode unter Aufrechter- haltung ihrer Vorteile durch die gleichzeitige Anwendung der folgenden Merkmale : a) Als elektronischer Umschalter dient ein Ringmodulator mit Dioden, dessen einer Diagonale der
Zwischenträger zugeführt wird und von dessen andern Diagonalpunkten über Entkopplungswiderstände die beiden Lautsprecherkanäle gegen Erde entnommen werden, b) zwischen dem Symmetriepunkt der einen Diagonale und Erde wird das erwähnte gesamte Stereo- phoniesignal zugeführt, c) den Lautsprecherkanälen wird über je einen ohmschen Widerstand das erwähnte gesamte Stereo- phoniesignal (mindestens das niederfrequente Summensignal) mit umgekehrter Phase als dem genannten
Symmetriepunkt und mit einem so viel kleineren Betrag zugeleitet,
dass der bei der Summen- und Dif- ferenzbildung des Summen- und Differenzsignals im Ringmodulator auftretende Überschuss des Summensignals kompensiert ist, d) in Reihe zu jeder Diode liegt ein so grosser rein ohmscher, nicht kapazitiv überbrückter Widerstand, dass die Diodenkennlinien linearisiert sind.
Die Anwendung eines Ringmodulators mit Dioden ist zur Dekodierung bei einem Rundfunk-Sie : eo- phonieverfahren nach dem Zeitmultiplexverfahren (PAM-Verfahren) bekannt (Zeitschrift Elektronische Rundschau 1959,'Seite 448, Bild 6 oder deutsche Auslegeschrift Nr. 1077731), jedoch arbeiten die Dioden mit Spitzengleichrichtung und deshalb nur mit einem kleinen Öffnungswinkel (d. h., die Dioden werden während jeder Halbperiode der Umschaltfrequenz nur kurzzeitig geöffnet), weil die in Reihe zu den Dioden liegenden ohmschen Widerstände durch Kondensatoren überbrückt sind. Dies wird bei der Erfindung durch das erwähnte Merkmal d ausdrücklich ausgeschlossen, obwohl dadurch die Ausgangsspannungen kleiner werden.
Bei der Erfindung werden also die Dioden mit grossem Öffnungswinkel betrieben. Man erreicht dann die oben bei der zweiten bekannten Methode mit Schaltröhre beschriebenen Vorteile der Störarmut.
Ferner ist bekannt (Zeitschrift Audio, Juni 1961, Seite 21-23, Fig. 4), zur Dekodierung einer Stereosendung mit amplitudenmoduliertem Zwischenträger von 38 kHz, der selbst unterdrückt wird, und mit Pilotfrequenz von 19 kHz zwei nicht näher beschriebene Brückendemodulatoren zu verwenden, denen beiden das gesamte durch Demodulation erhaltene Stereophoniesignal zugeführt wird und die mit dem durch Mitnahme eines Oszillators aus der Pilotfrequenz (19 kHz) erhaltenen Zwischenträgerfrequenz (38 kHz) gesteuert werden. Die Erfindung benötigt demgegenüber nur einen einzigen Brückendemodulator, u. zw. einen Ringmodulator.
Die Fig. l zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 2 ein solches, bei dem eine selbsttätige Umschaltung auf Mono- oder Stereobetrieb stattfindet.
Links in Fig. 1 wird das vom Verhältnisdetektor (Ratiodetektor) des nicht dargestellten Empfängers demodulierte und vor dem bekannten Deemphasisglied abgezweigte Signal der Röhre 1 zugeführt und rechts werden die beiden Lautsprecherkanäle A und B entnommen.
Das vom Verhältnisdetektor ankommende gesamte Stereophoniesignal erscheint mit fast gleicher Amplitude auch an der Kathode der Röhre 1 und wird von dort über den Kopplungskondensator 25 zum Punkt e des Ringmodulators geführt. Die drei Teile des gesamten Stereophoniesignals sind an der Zuleitung zum Punkt e aufgezeichnet. Es besteht aus dem niederfrequenten Summensignal NFc. also aus der Summe des Rechtssignals R und des Linkssignals L, und er Pilotfrequenz von 19 kHz, die am Punkt e nicht mehr benötigt wird, aber auch nicht schädlich ist, und dem Zwischenträgersignal, welches aus dem mit dem niederfrequenten Differenzsignal NFD bei unterdrücktem Träger amplitudenmodulierten Zwischenträger von 38 kHz besteht.
Die die waagrechte Achse kreuzende Umhüllende entspricht dem Differenzsignal NFD, also der Differenz aus dem Rechtssignal R und dem Linkssignal L.
Aus dem gesamten, an der Anode der Röhre 1 auftretenden Stereophoniesignal wird mit dem über die
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Spule 2 angekoppelten Schwingungskreis 3 die Pilotfrequenz von 19 kHz abgesiebt und mit Hilfe der
Gleichrichter 4 und 5 in der Frequenz verdoppelt. Eine Frequenzverdopplung mit Dioden hat gegenüber der Frequenzverdopplung mit Hilfe der gekrümmten Kennlinie einer Verstärkerröhre den Vorteil, dass das
Verhältnis der Spannung des dabei gewonnenen Zwischenträgers zur Spannung der Pilotfrequenz und damit auch des Zwischenträgersignals praktisch unabhängig von der Amplitude des Eingangssignals ist, so dass es von vornherein auf seinen Optimalwert gebracht werden kann. Diese Art der Frequenzverdopplung trägt mit zur Schaffung eines optimalen Demodulators bei.
Auch die Nachteile eines zur Frequenzverdopplung dienenden Mitnahme-Oszillators fallen fort. Der durch die Frequenzverdopplung erhaltene Zwischenträger wird in der Röhre 6, die mit der Röhre 1 zusam- mengebaut sein kann, verstärkt und anodenseitig über die beiden Schwingungskreise 7, die entsprechend der vereinbarten Phasendrehung des Zwischenträgers auf der Senderseite eine Phasendrehung um 900 be- wirken, zur Diagonalen a, b des Ringmodulators geführt.
Der Ringmodulator besteht aus den Gleichrichtern 9-11, die in einem Ring gleichsinnig in Reihe ge- schaltet sind. Die ohmschen Widerstände 12-15 (die auch rechts von den Dioden liegen können) und die
Potentiometer bei c und d dienen zur Linearisierung der Kennlinie der Dioden und die Potentiometer c, d mit linearer Kennlinie ausserdem zum Abgleich des Ringmodulators. 0
Die ohmschen Widerstände 12-15 und c, d schützen die Dioden zugleich vor einer Überlastung, denn der Zwischenträger von 38 kHz wird mit ziemlich grossen Amplituden, nämlich z. B. 6 V, zugeführt, während das zum Punkt e zugeführte gesamte Stereophoniesignal nur eine Spannung von etwa 2 V hat.
Durch die hohe Spannung des Zwischenträgers wird in Verbindung mit der fehlenden kapazitiven Über- brückung der ohmschen Widerstände erreicht, dass die Dioden 8 und 10 fast während der ganzen Dauer der einen Halbschwingung und die Dioden 9 und 11 fast während der Dauer der andern Halbschwingung des Zwischenträgers vollständig geöffnet werden.
Das zwischen dem Punkt e und Erde liegende gesamte Stereophoniesignal wird also im Takte des
Zwischenträgers abwechselnd auf die Endpunkte c und d der ausgangsseitigen Diagonale des Ringmodula- tors geschaltet. Hiedurch wird das Summensignal NFS zur Hälfte auf den Punkt c und zur Hälfte auf den
Punkt d geschaltet, wo es mit der halben Amplitude, jedoch gleicher Phase auftritt. Das Zwischenträ- gersignal gelangt dagegen in anderer Weise zum Ausgang. Wahrend der einen Halbschwingung der Umhüllenden werden die Halbschwingungen der Hochfrequenz unter dem Einfluss des gleichphasigen Zwischenträgers abwechselnd auf die Ausgänge c und d geschaltet.
Deshalb erscheinen die positiven Halbschwingungen der Hochfrequenz in positiver Richtung an dem einen Ausgang und die negativen Halbschwingungen in negativer Richtung am andern Ausgang. Der Mittelwert der hochfrequenten Halbschwingungen ist etwa gleich ein Drittel der Amplitude der Hochfrequenzschwingungen am Punkt e und stellt die erste Halbschwingung der Niederfrequenz NFD dar. Wahrend der andern Halbschwingung der Umhüllenden werden die hochfrequenten Halbschwingungen mit umgekehrter Polarität auf die beiden Ausgänge geschaltet, denn am Einschnürungspunkt der Umhüllenden tritt bekanntlich ein Phasensprung von 1800 der Hochfrequenzschwingungen auf. Dadurch entsteht an den Ausgängen c und d die andere Halbschwingung der Niederfrequenz NFD mit der richtigen Phase.
Wegen des erwähnten Amplitudenverhältnisses der beiden Signale NF, und NFD von 1/2 zu 1/3, also der zu grossen Amplitude von Nus, mués dem Punkt f fü. die richtige Summen- und Differenzbildung zur Gewinnung der Lautsprecherkanäle A und B eine bestimmte Amplitude der Niederfrequenz NF, gegenphasig zugeführt werden. Sie wird dem Potentiometer 16 im Anodenkreis der Röhre 1 entnommen, an dem eine zur Spannung an der Kathode gegenphasige Spannung auftritt. Die gegenphasige Spannung NFS wird absichtlich dem Punkt f und nicht den Fusspunkten der Widerstände 23 und 24 zugeführt, weil sie dort das richtige Arbeiten des Ringmodulators stören würde.
Durch die entkoppelnde Wirkung der Widerstände 17 und 19 bei der in der Zeichnung angegebenen Bemessung der Widerstände 23,17 (und 24,19) wird erreicht, dass nur ein sehr kleiner Teil der an den Punkten A und B über den Punkt f zugeführten Spannungen rückwärts zu den Punkten c und d gelangen kann. Die Widerstände 17,21 und 19,22 dienen zusammen mit den Kondensatoren 18 bzw. 20 zugleich als Deemphasisglieder und ferner zur Unterdrückung der verbliebenen Hochfrequenz.
Nun folgt die Beschreibung der Fig. 2. Nach Einführung der kompatiblen Rundfunkstereophonie wird es auch Sendungen geben, die nur einkanalig übertragen werden (Monobetrieb). Da die Stereosendung kompatibel ist, können einkanalige Sendungen von einem Stereoempfänger ohne Umschalten empfangen werden. Der Signal/Rausch-Abstand wird jedoch bei einkanaligen Sendungen besonders bei kleiner Feldstärke besser, wenn der Stereoadapter abgeschaltet wird.
Es ist bekannt, die Umschaltung von Monobetrieb auf Stereobetrieb oder umgekehrt selbsttätig da-
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durch zu bewirken, dass der in Stereosendungen ohnehin enthaltene Zwischenträger (oder eine Pilotfre- quenz mit der halben Frequenz des Zwischenträgers zur Wiedergewinnung des Zwischenträgers im Emp- fänger) gleichgerichtet wird und die so erhaltene Gleichspannung die Umschaltung veranlasst.
Hiezu wird bekanntlich ein Relais benutzt, dessen Kontakte den Stereo-Adapter ein-oder ausschal- ten. Bleibt der Pilotton aus, weil einkanalig gesendet wird (Monobetrieb), dann wird der Stereo-Adapter umgangen und die beiden Lautsprecherkanäle werden parallelgeschaltet. Ausser dem Relais werden bei der bekannten Umschalteinrichtung zusätzlich noch drei Transistoren benötigt (Zeitschrift "Funkschau"
1962, Seite 377-378).
Die Weiterbildung der Erfindung zeigt, dass beim Empfänger nach der Erfindung eine bedeutende
Vereinfachung der selbsttätigen Umschalteinrichtung möglich ist.
Die Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass bei Monobetrieb der vom Demodulator gelie- ferte niederfrequente Wechselstrom und gleichzeitig auch ein überlagerter Gleichstrom, der grösser als , die Scheitelwerte des niederfrequenten Wechselstromes ist, durch den Ringmodulator geleitet wird und dass bei Stereobetrieb ein durch Gleichrichtung des Zwischenträgers gewonnener Gleichstrom entgegenge- setzter Richtung, der den überlagerten Gleichstrom kompensiert, durch den Ringmodulator geleitet wird.
Um die Kompensation unabhängig vom Empfangspegel und von Betriebsspannungsschwankungen si- cherzustellen, wird gemäss einer zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, in die den
Niederfrequenzstrom und den überlagerten Gleichstrom führende gemeinsame Leitung die Parallelschal- tung eines Kopplungskondensators und eines für den überlagerten Gleichstrom durchlässigen Gleichrichter zu legen. Dieser Gleichrichter sperrt dann den kompensierenden Gleichstrom, sobald der Wert des überlagerten Gleichstromes erreicht ist.
In Fig. 2 sind die Schaltelemente mit den Bezugszeichen 1-25 die gleichen wie in Fig. 1. Hinzugekommen sind die Schaltelemente 26-32 und der Verbindungspunkt 33, der an Stelle der Erdungen der beiden Widerstände 23 und 24 tritt.
Ohne diese neuenSchaltelemente 26-32 und die neue Verbindung 33 würde der Stereo-Adapter, also die Stereo-Dekodierungsschaltung, auch eine einkanalige Sendung verarbeiten und gleichzeitig an die beiden Lautsprecherkanäle A und B (rechts in der Zeichnung) liefern, jedoch wäre dann der Empfang verzerrt und ausserdem mit einem stärkeren Rauschen belastet. Die Verzerrung kommt daher, dass die Dioden 8-11 des Ringmodulators nur jeweils eine Halbschwingung des niederfrequenten Wechselstromes durchlassen, so dass beim Nulldurchgang der Schwingungen wegen der gekrümmten Kennlinie der Dioden eine Verformung der Schwingungen auftritt.
Um diese zu beseitigen, wird gemäss dem ersten Merkmal der Weiterbildung der Erfindung über die Dioden des Ringmodulators ein Gleichstrom als Vorstrom geleitet, damit der Arbeitspunkt auf den Kennlinien der Dioden nicht mehr im stark gekrümmten Teil, sondern auf einem annähernd linearen Teil liegt. Der als Vorstrom dienende überlagerte Gleichstrom wird im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 aus dem Ausgangskreis der Röhre 1, u. zw. von der Kathode entnommen.
Zu diesem Zweck könnte man den Kopplungskondensator 25 durch eine Kurzschlussverbindung ersetzen. Aus dem weiter unten genannten Grunde wird jedoch der Kondensator 25 mit einer Diode 26 überbrückt, über den der zu überlagernde Gleichstrom fliesst.
Beim Stereobetrieb darf jedoch dieser Gleichstrom nicht fliessen. Er wird deshalb gemäss dem zweiten Merkmal der Erfindung dadurch kompensiert, dass mittels des Gleichrichters 27 und des zugehörigen Belastungswiderstandes 28 und des Kondensators 29 aus der Zwischenträgerfrequenz von 38 kHz ein Gleichstrom gewonnen wird, der dem Punkt 33 zugeführt wird. Von dort aus fliesst der Gleichstrom über die Widerstände 23 und 24 über den Ringmodulator zur Kathode der Röhre 1 und von dort zum Minuspol (Er- de).
Dieser umgekehrt fliessende Gleichstrom kompensiert den oben erwähnten überlagerten Gleichstrom, wenn er genauso gross ist. Man könnte dies dadurch erreichen, dass man den vom Gleichrichter 27 gelieferten Gleichstrom auf den erforderlichen Wert begrenzt. Da jedoch dann noch der überlagerte Gleichstrom bei Betriebsspannungsschwankungen sich ändern kann, ist es günstiger, die richtige Kompensation mit dem Gleichrichter 26 zu erzwingen. Der kompensierende Gleichstrom kann nämlich nicht grösser als der überlagerte Gleichstrom werden, weil der Gleichrichter 26 ihn nicht durchlassen würde.
Der Arbeitspunkt der Diode 27 und damit auch der Ansprechpunkt der Schaltung wird mit dem aus den Widerständen 30 und 31 gebildeten Spannungsteiler eingestellt. Ein Kondensator 32 dient zur Erdung der Hochfrequenzspannung.
Der bei Monobetrieb fliessende überlagerte Gleichstrom hat noch die zusätzliche Wirkung, dass das
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Rauschen nicht grösser als bei abgeschaltetem Adapter ist. Das zusätzliche Rauschen würde nämlich ohne die Weiterbildung der Erfindung dadurch hinzukommen, dass über den bei Monobetrieb unbesetzten Kanal (Röhre 6) ein Rauschen in den Ringmodulator eingeführt wird. Da jedoch die Dioden des Ringmodulators durch den überlagerten Gleichstrom vorbelastet sind, haben die Rauschspannungen, die wesentlich klei- ner als der überlagerte Gleichstrom sind, keine Schaltwirkung mehr auf die Dioden und haben deshalb praktisch keinen Einfluss auf die Ausgangskanäle A und B.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Gewinnung der beiden Lautsprecherkanäle auf der Empfangsseite bei der kompatiblen Rundfunk-Stereophonie nach dem Multiplexverfahren, bei dem der Hauptträger moduliert ist.
1. mit dem niederfrequenten Summensignal,
2. mit einer Zwischenträgerfrequenz (z. B. 38 kHz), auf der das niederfrequente Differenzsignal durch Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger übertragen wird,
3. mit einer Pilotfrequenz (19 kHz) von der halben Zwischenträgerfrequenz zur Wiedergewinnung des Zwischenträgers (38 kHz) auf der Empfangsseite durch Frequenzverdopplung, und bei dem der so ge- wonnene Zwischenträger (38 kHz) dazu benutzt wird, mit einem elektronischen Umschalter das durch die
Demodulation der empfangenen Hochfrequenz erhaltene gesamte Stereophoniesignal abwechselnd für die
Dauer einer vollen Halbperiode des Zwischenträgers auf einen der beiden Lautsprecherkanäle zu schal- ten, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale :
a) Als elektronischer Umschalter dient ein Ringmodulator mit Dioden (8-11), dessen einer Diagonale (a, b) der Zwischenträger (38 kHz) zugeführt wird und von dessen andern Diagonalpunkten (c, d) über Entkopplungswiderstände (17,19) die beiden Lautsprecherkanäle (A, B) gegen Erde entnommen werden, b) zwischen dem Symmetriepunkt (e) der einen Diagonale und Erde wird das erwähnte gesamte Stereophoniesignal zugeführt, c) den Lautsprecherkanälen (A, B) wird über je einen ohmschen Widerstand (21,22) das erwähnte gesamte Stereophoniesignal (mindestens das niederfrequente Summensignal) mit umgekehrter Phase als dem genannten Symmetriepunkt (e) und mit einem so viel kleineren Betrag zugeleitet, dass der bei der Summen- und Differenzbildung des Summen- und Differenzsignals (NFS, NFD)
im Ringmodulator auftretende Überschuss des Summensignals (NFs) kompensiert ist, d) in Reihe zu jeder Diode (8-11) liegt ein so grosser rein ohmscher, nicht kapazitiv überbrückter Widerstand (12-15, c, d), dass die Diodenkennlinien linearisiert sind.