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Limiteur d'amplitude
La présente invention concerne des dispositifs limiteurs d'amplitude de signaux oscillants, et plus particulièrement, de tels dispositifs ayant un niveau de limitation variant avec l'amplitude moyenne du signal oscillant appliqué au dis- positif. Bien que l'invention soit d'application générale, elle est particulièrement destinée à être utilisée comme dispositif limiteur dans un récepteur de signaux d"ondes modulés en fréquence, et sera décrite à ce point de vue.
Les récepteurs de signaux d'ondes modulés en fréquence utilisent fréquemment un dispositif limiteur d'amplitude pour réduire les effets indésirables de perturbations variées, du type qui se manifeste sous forme de phénomènes transitoi- res, mu d'autres variations d'amplitude parasites du signal @
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d'ondes reçu, généralement classées sous le nom de modulation d'amplitude. La majorité des dispositifs limiteurs d'amplitu- de proposés jusqu'à présent sont construits de façon à avoir un niveau de limitation choisi d'avance, auquel on limite l'amplitude d'un signal appliqué quand il dépasse le dit ni- veau de limitation choisi d'avance.
Il est ordinairement avantageux que ces dispositifs limiteurs à niveau choisi d'avance limitent à un niveau relativement élevé, quand le signal d'ondes reçu est d'intensité élevée, dans le but que l'on puisse retirer tous les avantages des meilleurs caracté- ristiques des détecteurs correspondant à de tels niveaux, pour les signaux suffisamment forts pour être amplifias à ces niveaux.
Cependant, dans le cas où un signal d'ondes reçu est d'intensité relativement faible, ou d'une intensité variant dans de larges limites, il est avantageux que les variations d'amplitude parasites du signal d'ondes reçu puissent être supprimées, même si cela nécessite une limitation à des ni- veaux inférieurs. Autrement, les bruits parasites sont repro- duits juste quand ils sont les plus gênants, quand ils cor- respondent à des signaux d'ondes relativement faibles. Les systèmes limiteurs d'amplitude mentionnés jusqu'à présent, et qui limitent seulement à un niveau prédéterminé sont explici- tement construits et mis en oeuvre pour limiter seulement les signaux d'ondes d'intensité relativement grande, comme on l'a mentionné ci-dessus.
Ceci produit une limitation nette de la gamme des intensités de signaux d'ondes qui peuvent être reproduits de façon satisfaisante par un récepteur de signaux d'ondes à modulation de fréquence comportant de tels dispo- sitifs limiteurs.
L'incapacité de tels dispositifs limiteurs à fournir une limitation d'amplitude convenable pour les signaux d'ondes forts et faibles reçus, est évitée en grande partie par un dispositif limiteur connu ayant un niveau de limitation fixé
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d'avance pour tous les signaux d'ondes reçus délassant une intensité choisie d'avance, mais abaissant automatiquement le niveau de limitation quand ils reçoivent des signaux d'on- des d'intensité inférieure à celle choisie d'avance. On obtient ainsi une limitation d'amplitude pour les signaux d'ondes, tant forts que faibles, reçus.
Il y a de nombreuses applications où il est désirable @ de prévoir un dispositif limiteur qui n'a pas de niveau de limitation fixe, mais plutôt un niveau de limitation variant avec l'amplitude moyenne'du signal d'ondes reçu. Ceci offre l'avantage de fournir une limitation convenant aux signaux faibles sans réduire, en même temps, exagérément le gain gé- néral du récept-eur pour les signaux forts. Il est, en outre, avantageux de prévoir un dispositif limiteur d'amplitude ca- ractérisé par une plus grande simplicité et un coût peu élevé.
Conformément à l'invention, un système limiteur d'am- plitude de signaux d'ondes comporte une voie transmettant les signaux oscillants comportant un circuit résonant comportant une inductance et une capacité en parallèle, résonant sensi- blement au centre de la bande passante de la voie et d'amor- tissement bien inférieur à l'amortissement critique. Le système comporte un élément détecteur et un élément condensateur en série dans un circuit couplé effectivement en parallèle avec le circuit résonant, et ayant dans le sens de passage, à la fréquence ci-dessus mentionnée, une impédance bien inférieure à celle du circuit résonant.
Le système comporte également une résistance en parallèle sur l'un des éléments mentionnés ci- dessus, et de valeur beaucoup plus élevée que l'impédance, dans le sens conducteur, du circuit série, de façon à effectuer un redressement de pointes, mais suffisamment inférieur à l'im- pédance du circuit résonant, de façon à produire, en chargeant le système redresseur ; uneconductance moyenne fournissant la plus grande partie de l'amortissement total du circuit rédonant, cet amortissement restant toutefois bien inférieur à l'amor-
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tissement critique de celui-ci.
Le condensateur a une capacité choisie de façon à obtenir, avec la résistance, une constante de temps sensiblement plus grande que la pé¯riode la plus grande de la modulation d'amplitude, devant être éliminée du signal d'ondes transmis par la voie, grâce à laquelle la tension de polarisation développée aux bornes du condensateur par la dé- tection varie avec l'amplitude moyenne du signal d'ondes trans- mis, de façon à faire varier le niveau de limitation du systè- me conformément à la dite amplitude moyenne et a sensiblement une valeur constante pour la modulation d'amplitude, de façon à produire la limitation d'amplitude par le dispositif au ni- veau de limitation indiqué ci-dessus.
Afin de mieux comprendre la présente invention, on se reportera à la description ci-dessous faite en regard du dessin annexé dans lequel :
La fig. 1 représente les circuits, partiellement sché- matiquement, d'un récepteur complet de signaux d'ondes modulés en fréquence qui comporte un dispositif limiteur d'amplitude de signaux d'ondes, qui sera désigné dans le reste de la pré- sente demande sous le nom de "limiteur", qui est une forme particulière de réalisation de la présente invention, et la fige 2 représente les circuits d'un limiteur selon une forme de réalisation modifiée de la présente invention.
En se reportant plus particulièrement à la figure 1, le récepteur comprend un oscillateur-modulateur 10, ayant un circuit d'entrée couplé au dispositif d'antenne 11, 12 et ayant un circuit de sortie relié à un amplificateur moyenne fréquence 13, à un ou plusieurs étages. Reliés en cascade avec l'amplificateur 13, et dans l'ordre indiqué se trouve un limiteur 14 combiné à un étage amplificateur moyenne fré- quence, décrit plus en détail ci-après, un discriminateur de fréquence 15, qui renferme un système redresseur 16; un am- plificateur basse fréquence 17, à un ou plusieurs étages, et
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un reproducteur de sons 18.
Une tension de "commande automa- tique de volume" ou de C-A-V. prend naissance dans l'élé- ment 14, et est appliquée, par un circuit 52 au circuit d'entrée d'une ou plusieurs des lampes de l'oscillateur-modu- lateur 10 et de l'amplificateur moyenne fréquence I3 de la façon habituelle.
Il est entendu que les divers éléments qui viennent d'être décrits peuvent, à l'exception du limiteur de 1' élé- ment 14, être construits et utilisés de la manière habituelle, leurs détails étant connus, ce qui rend une description plus complète de ceux-ci inutile.
Considérant brièvement le fonctionnement du récepteur dans son ensemble, et négligeant, pour le moment, le fonc- tionnement détaillé du limiteur de l'élément 14 qui doit $tare décrit ci-après, un signal d'ondes désiré modulé en fréquence est sélectionné et transformé en signal moyenne fréquence modulé en fréquence dans l'oscillateur-modulateur 10, amplifié dans l'amplificateur moyenne fréquence 13, en- core amplifié et soumis à l'action du limiteur dans l'élé- ment 14, en étant limité à un niveau variant en fonction de l'amplitude moyenne du signal moyenne-fréquence, et détecté par le discriminateur 15, de façon à tirer les composantes de la modulation à fréquence acoustique.
Ces composantes sont amplifiées, à leur tour, dans l'amplificateur basse- fréquence 17, et sont reproduites par le reproducteur de sons 18 de la manière habituelle. La polarisation de C.A.V. déve- loppée dans l'élément 14 effectue le réglage'de l'amplifica- tion d'un ou plusieurs des éléments 10 et 13 de façon à mainte- nir l'amplitude du signal entrant dans l'élément 14 dans des limites relativement étroites pour un signal reçu dont l'in- tensité varie dans de larges limites.
En se reportant maintenant plus particulièrement à la partie du récepteur correspondant à la présente invention, l'étage 14 renferme deux limiteurs 20 et 20' qui sont à peu
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près semblables et constituent une forme de réalisation par- ticulière de la présente invention. Ces limiteurs sont compris dans la voie transmettant le signal d'ondes à moyenne fréquen- ce, qui comporte l'élément 13, l'amplificateur de l'élément 14 et le discriminateur 15. Le dispositif 20 renferme un cir-cuit résonant 21 résonant sensiblement à la fréquence qui est située au milieu de la bande passante des filtres moyenne fréquence de la voie. Le circuit résonant 21 renferme un enroulement se- condaite 22 d'un transformateur 23, et un condensateur 24, en parallèle sur l'enroulement 22.
Le circuit résonant 21 est for- mé d'éléments 22, 24 à faibles pertes, de sorte qu'il présente une surtension Q élevée, ou uh amortissement bien inférieur à m'amortissement critique ; Q étant défini comme le rapport de la réactance à la résistance, une valeur typique du Q de ce circuit pouvant être de l'ordre de 100.
Le limiteur 20 renferme également un redresseur 25, d'impédance relativement faible, qui peut être un tube à vide, thermoionique diode ordinaire, ou une diode à cristal ayant des propriétés semblables, comme une diode à cristal de ger- manium, ayant la composition et les caractéristiques décrites dans le numéro de février 1946 d' "Electronics", pages 118- 123. De telles diodes à cristaux ont une impédance, dans le sens conducteur, qui ne dépasse pas plusieurs centaines d'ohms.
Un condensateur 27 est relié avec le redresseur 25 de façon à former un circuit série, en parallèle sur le circuit réso- nant 21. Dans le sens conducteur du redresseur 25 et à la fréquence moyenne de la voie, ce circuit a une impédance bien inférieure à celle du circuit résonant 21.
Le limiteur renferme également une résistance 28, connectée en parallèle sur le condensateur 27. La valeur de la résistance 28 est bien plus grande que l'impédance, dans le sens conducteur, du circuit série mentionné en dernier, de façon à effectuer un redressement de pointes du signal moyenne fréquence, étant néanmoins suffisamment inférieure à l'imper
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dance du circuit résonant 21 pour provoquer, par la charge du redresseur 25, une conductance moyenne fournissant la majeure partie de l'amortissement total du circuit 21, bien inférieur toutefois à l'amortissement critique de ce dernier.
On peut mentionner que, bien que la résistance 28 soit représentée en parallèle sur le condensateur 27, cette résistance peut, en manière d'alternative, être branchée en parallèle sur le dé- tecteur diode 25, disposition de circuit dans laquelle la résistance est aussi réellement en parallèle sur le condensa- teur 27, par l'enroulement 22 du circuit résonant 21. La capa- cité du condensateur 27 est déterminée de manière à obtenir, avec la résistance 28, une constante de temps sensiblement plus grande que la période la plus grande en radians de la mo- dulation d'amplitude devant être éliminée du signal à moyenne fréquence transmis par le circuit.
La tension de polarisation, développée aux bornes du condensateur 27 par le redressement varie ainsi avec l'amplitude moyenne du signal d'ondes moyenne fréquence transmis, de façon à faire varier le niveau de limi- tation du limiteur 20 en accord avec ladite amplitude moyenne et la dite tension a une valeur sensiblement constante pour la modulation d'amplitude à éliminer de façon à limiter, par le dispositif 20, l'amplitude au dit niveau de limitation.
Comme il a été indiqué précédemment, la voie des signaux d'onde moyenne fréquence renfermant les éléments 10 et 13 a une caractéristique de gain réglable. La tension de polarisa- tion développée aux bornes du condensateur 27 sert, par le circuit 52, à régler le gain des éléments 10 et 13, de façon à réduire l'étendue des variations d'amplitude moyenne du signal moyenne fréquence transmis. En particulier, comme il est re- présenté, le gain de la voie est réglé en un point précédant le circuit résonant 21 de façon à réduire les limites des variations d'amplitude moyenne d'un signal oscillant appliqué au circuit résonant 21.
L'électrode de commande de la lampe 33 est reliée,
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par un condensateur 34, au circuit résonant 21, et à la masse par une résistance de grille 30, de façon à amplifier le signal moyenne fréquence transmis par ce dernier.
Le limiteur 20' fait partie du circuit de sortie de la lampe à vide amplificatrice 33, et est à peu près semblable au limiteur 20, les éléments semblables étant désignés par les mêmes numéros de référence munis d'un indice (prime) avec l'ex- ception que le circuit résonant 21' renferme le primaire 35 d'un transformateur de sortie 36. Ce dernier comporte deux en- roulements secondaires 37 et 38, qui sont accordés respective- ment par des condensateurs 39 et 40 sur des fréquences de part et d'autre de la fréquence médiane de la voie de signaux d'ondes moyenne fréquence. Les circuits résonants 37, 39 et 38,40 sont couplés individuellement à des circuits redresseurs de l'élément 16, pour constituer un discriminateur de fréquence 15 du type habituel à accord latéral.
La capacitance du condensateur 24 et celle du condensa- teur 24' doivent être suffisantes pour que les tensions de si- gnaux oscillants développées aux bornes des circuits accordés respectifs 21 et 21' soient de forme sinusoïdale, même si le circuit accordé en question est amorti par la conductance moyenne des circuits série associés, qui comprennent le redresseur.
Considérant maintenant le fonctionnement du limiteur qui vient d'être décrit, le redresseur 25 redresse les pointes du signal oscillant développé aux bornes du cir¯cuit résonant 21, de façon à produire aux bornes du condensateur 27 une tension de polarisation variant avec l'amplitude moyenne du signal oscillant. Dans ce redressement par la pointe du si- gnal oscillant, le circuit série qui comprend le redresseur 25 et le condensateur 27 présente une conductance moyenne qui amortit le circuit résonant 21.
La valeur de 1' amortissement produit est déterminée par la quantité d'énergie tirée de la portion de crête de l'oxcil-
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lation correspondant au signal oscillant durant chaque période.
Celle-ci, à son tour, est déterminée par la quantité d'énergie correspondant à la décharge, pendant chaque période, du conden- sateur 27 par la résistance 28. Le redressement de pointes né- cessite que le circuit série qui renferme le redresseur 25, les condensateurs 27 et 24 ne comporte pas d'impédance addi- tionnelle qui suffirait à réduire le courant de crête qui tra- verse le redresseur 25 pendant les instants où il est conduc- teur.
Puisque le circuit résonant,21 est peu amorti, ayant un facteur de puissance de 1 % par exemple, en l'absence de tout amortissement par le relresseur 25 et, puisque le condensa- teur 24 de ce cir-cuit a une capacitance suffisamment élevée, comme on l'a déjà signalé, le redressement de pointes du signal oscillant par le redresseur 25 peut accroitre le facteur de puissance du circuit résonant 21 jusqu'à par exemple, 10 %.
Même ce facteur de puissance plus grand est toujours inférieur à 100 % (amortissement critique), de telle façon que les ten- sions de signaux oscillants développées aux bornes du circuit résonant 21 ont toujours une forme approximativement sinusoïdale Dans ces conditions, le facteur de puissance du circuit réso- nant 21 est augmenté par l'amortissement jusqu'à une valeur égale à la racine carrée de 3: sa valeur en l'absence de charge, par exemple il atteint jusqu'à 10 % si le facteur de puissance du cir¯cuit résonant non amorti est de 1 %. L'amplitude des ten- sions des signaux oscillants aux bornes du circuit résonant est réduite de façon correspondante.
Lorsque le condensateur 27 et la résistance 28 ont les valeurs indiquées plus haut, les rapports de charge indiqués ci-dessus permettent à l'amplitude des tensions de signaux oscillants développées aux bornes du circuit résonant 21 d'aug- menter et de décroitre lentement an fonction des variations de l'amplitude moyenne du signal oscillant. C'est-à-dire que, pen- dant les variations lentes de l'amplitude du signal os-cillant,
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le condensateur 27 a le temps de se charger ou de se décharger lentement. D'autre part, la constante de temps du condensateur 27 et de la résistance 28 est sensiblement plus grande que la période la plus grande en radians de la modulation d'amplitude qui doit être éliminée du signal oscillant.
Cette constante de temps empêche le condensateur 27 de se charger ou de se dé- charger à une vitesse aussi rapide que la modulation d'ampli- tude, si bien que le condensateur agit comme une tension de polarisation fixe pour ladite modulation. Il en résulte que la polarisation règle ou modifie le niveau de limitation du limiteur 20 selon l'amplitude moyenne du signal d'ondes moyenne fréquence transmis, a sensiblement une valeur constante par rapport à la modulation d'amplitude indésirable devant être éliminée, et effectue ainsi une limitation d'amplitude audit niveau dans le dispositif 20.
Si cette tension de polarisation est appliquée comme tension de C.A.V. aux éléments 10 et 13, comme décrit précédemment elle a pour effet de limiter l'éten- due des variations d'amplitude moyenne du signal oscillant ap- pliqué au limiteur 20.
Le signal à fréquence intermédiaire d'amplitude limitée transmis par le limiteur 20 est appliqué à la lampe à vide de l'amplificateur 33, où il est amplifié et appliqué au li- miteur 20'. Le fonctionnement de ce limiteur est sensiblement celui décrit à propos du limiteur 20, le limiteur 20' agissant de plus de façon à limiter toute modulation d'amplitude indé- sirable qui aurait pu passer par suite de l'action incomplète du limiteur 20? On peut mentionner que le limiteur 20' fonc- tionne à un niveau de signal oscillant plus élevé que le li- miteur 20 à cause de l'amplification du signal oscillant four- nie par la lampe amplificatrice 33. Pour cette raison, le li- miteur 20' peut, dans les mêmes conditions, produire un meil- leur effet limiteur d'amplitude que le limiteur 20.
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Le signal oscillant transmis par le limiteur 20' est appliqué au discriminateur de fréquence 15 qui en extrait les composantes de modulation désirées et les applique à l'ampli- ficateur 13 pour qu'elles soient finalement reproduites par le reproducteur 18, comme déjà indiqué.
Bien que l'on figure deux limiteurs 20 et 20' dans l'élé- ment 14, il est évident que l'on peut, si on le désire, em- ployer seulement un seul limiteur, et, de plus, que un ou plusieurs tels limiteurs peuvent être utilisés pour chaque étage de l'amplificateur moyenne fréquence de l'élément 13.
La figure 2 représente le schéma d'un limiteur selon une forme modifiée de réalisation de la présente invention, à peu près semblable à celle de la figure 1, les éléments semblables étant désignés par des numéros de référence semblables, et les éléments analogues par des numéros de référence semblables muni de l'indice "seconde". Le limiteur du présent appareil renferme un redresseur 25", tel que celui au germanium mention- né précédemment, et un condensateur 27, qui sont reliés en série dans un circuit couplé inductivement par un enroulement de transformateur 42, effectivement en parallèle avec un cir- cuit résonant.
Le dernier circuit renferme un enroulement de transformateur 43, accordé par variation de perméabilité, et un condensateur 44 représenté en traits interrompus du fait qu'il peut être inclus en tout ou partie dans la capacité pro- pre apparaissant dans le circuit de sortie de la lampe amplifi- catrice 33. L'enroulement de transformateur 43, comporte un enroulement d'un transformateur muni d'un circuit résonant 45, couplé inductivement à l'enroulement 43, et renfermant un en- roulement de transformateur 46 qui est couplé par un organe d'accord par variation de perméabilité 47 à un enroulement de transformateur 48. Ce dernier a une prise médiane 49 reliée à un circuit résonant 50, de façon à former un circuit discrimina- teur de fréquence à trois bornes.
Le circuit résonant 50 comprend un enroulement 51 accordé par variation de perméabilité couplé
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inductivement à l'enroulement de transformateur 46. L'organe d'accord par variation de perméabilité 47 peut se déplacer de façon à accorder le circuit résonant 45 pax variation de l'inductance de l'enroulement de transformateur 46, tout en évitant toute variation fâcheuse du couplage entre les enrou- lements 46 et 48, ou de l'équilibre désiré de l'enroulement 48.
Le transformateur de signaux oscillants renfermant les élé- ments 43 à 51, inclus, est couplé au dispositif redresseur 16 de façon à obtenir un discriminateur de fréquence 15".
Le fonctionnement de la forme de réalisation de l'in- vention suivant la figure 2 est à peu près semblable à celui décrit à propos de la figure 1, le limiteur 20" fonctionnant de façon à établir un niveau de limitation, aux bornes du cir- cuit résonant 43-44 variant avec l'amplitude moyenne du signal oscillant transmis par la lampe amplificatrice 33, mais ef- fectuant une limitation d'amplitude pour des variations d'am- plitude plus rapides du signal oscillant transmis. En limi- tant ainsi l'amplitude du signal oscillant transmis, une tension de signal oscillant relativement constante.est déve- loppée aux bornes du circuit résonant 43-44, et une tension constante de signal oscillant est ainsi induite dans le circuit résonant 45.
Les circuits résonants 43,44,45 et 50 sont ac- cordés de façon à résoner sur la fréquence médiane du signal moyenne fréquence modulé en fréquence de façon à appliquer aux circuits redresseurs individuels de l'élément 16 des si- gnaux oscillants variant en amplitude en sens inverse des dé- viations de fréquence des signaux oscillants par rapport à leur fréquence moyenne. Les circuits redresseurs de l'élément 16 redressent ces derniers signaux oscillants de façon à obte- nir, dans un circuit de sortie du discriminateur de fréquence 15", les composantes de la modulation du signal moyenne fré- quence.
Il est évident, de la description précédente de l'in- vention, qu'un limiteur conforme à l'invention a l'avantage
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de fournir automatiquement un niveau de limitation variant avec l'amplitude moyenne du signal oscillant qui lui est ap- pliqué, fournissant ainsi une limitation appropriée des in- tensités des signaux oscillants faibles sans réduire, en même temps, exagérément le gain global du récepteur pour les si- gnaux forts. Le limiteur objet de la présente invention offre les avantages additionnels d'une grande simplicité et d'un faible prix. Il y a l'avantage additionnel que le limiteur ob- jet de l'invention fournit une bonne limitation pour toute valeur moyenne de l'amplitude d'un signal oscillant appliqué à l'intérieur de limites étendues des valeurs de la dite am- plitude.
Grâce au niveau changeant de limitation de l'ampli- tude du présent limiteur, l'accord d'un récepteur de signaux d'ondes sur un signal d'ondes désiré est grandement facilité du fait que le niveau de,sortie acoustique du récepteur est maximum dans la position d'accord correct, et décrott de cha- que côté de celle-ci.
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Amplitude limiter
The present invention relates to devices for limiting the amplitude of oscillating signals, and more particularly, to such devices having a level of limitation varying with the average amplitude of the oscillating signal applied to the device. Although the invention is of general application, it is particularly intended for use as a limiting device in a receiver of frequency modulated wave signals, and will be described from this point of view.
Receivers of frequency modulated wave signals frequently use an amplitude limiting device to reduce the undesirable effects of various disturbances, of the type which manifests itself in the form of transients, or other parasitic amplitude variations of the signal. signal @
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received waveforms, generally referred to as amplitude modulation. The majority of amplitude limiting devices proposed so far are constructed so as to have a pre-selected limiting level, to which the amplitude of an applied signal is limited when it exceeds said level of. limitation chosen in advance.
It is ordinarily advantageous that these pre-selected level limiting devices limit at a relatively high level, when the received wave signal is of high intensity, so that the full benefits of the best characteristics can be obtained. characteristics of the detectors corresponding to such levels, for signals strong enough to be amplified at these levels.
However, in the case where a received wave signal is of relatively weak intensity, or of an intensity varying within wide limits, it is advantageous that the parasitic amplitude variations of the received wave signal can be suppressed, even if this requires limitation to lower levels. Otherwise, noise is reproduced just when it is most annoying, when it corresponds to relatively weak wave signals. The amplitude limiting systems mentioned so far, and which limit only to a predetermined level are explicitly constructed and implemented to limit only wave signals of relatively large intensity, as mentioned above. -above.
This produces a marked limitation on the range of wave signal strengths which can be satisfactorily reproduced by a frequency modulated wave signal receiver incorporating such limiting devices.
The inability of such limiting devices to provide adequate amplitude limiting for the received strong and weak wave signals is largely avoided by a known limiting device having a fixed limiting level.
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advance for all wave signals received relaxing an intensity chosen in advance, but automatically lowering the limiting level when they receive wave signals of lower intensity than the one chosen in advance. An amplitude limitation is thus obtained for the wave signals, both strong and weak, received.
There are many applications where it is desirable to provide a limiting device which does not have a fixed limiting level, but rather a limiting level varying with the average amplitude of the received wave signal. This has the advantage of providing suitable limiting for weak signals without at the same time reducing excessively the overall gain of the receiver for strong signals. It is furthermore advantageous to provide an amplitude limiting device characterized by greater simplicity and low cost.
According to the invention, a system for limiting the amplitude of wave signals comprises a channel transmitting the oscillating signals comprising a resonant circuit comprising an inductance and a capacitor in parallel, resonating substantially at the center of the bandwidth of the track and damping much lower than the critical damping. The system comprises a detector element and a capacitor element in series in a circuit effectively coupled in parallel with the resonant circuit, and having in the direction of passage, at the above-mentioned frequency, an impedance much lower than that of the resonant circuit.
The system also comprises a resistor in parallel on one of the elements mentioned above, and of value much higher than the impedance, in the conductive direction, of the series circuit, so as to carry out a rectification of spikes, but sufficiently lower than the impedance of the resonant circuit, so as to produce, by charging the rectifier system; an average conductance providing the greater part of the total damping of the redonant circuit, this damping however remaining much lower than the damping
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critical weaving of it.
The capacitor has a capacity chosen so as to obtain, with the resistance, a time constant appreciably greater than the longest period of the amplitude modulation, to be eliminated from the wave signal transmitted by the channel, whereby the bias voltage developed across the capacitor by the detection varies with the average amplitude of the transmitted wave signal, so as to vary the limiting level of the system in accordance with said amplitude mean and has substantially a constant value for the amplitude modulation, so as to produce the amplitude limitation by the device at the limitation level indicated above.
In order to better understand the present invention, reference is made to the description given below with reference to the appended drawing in which:
Fig. 1 shows the circuits, partially schematically, of a complete receiver of frequency modulated wave signals which comprises a device for limiting the amplitude of the wave signals, which will be referred to in the remainder of the present application as the name "limiter", which is a particular embodiment of the present invention, and Fig. 2 represents the circuits of a limiter according to a modified embodiment of the present invention.
Referring more particularly to Figure 1, the receiver comprises an oscillator-modulator 10, having an input circuit coupled to the antenna device 11, 12 and having an output circuit connected to a medium frequency amplifier 13, to a or several floors. Cascaded with amplifier 13, and in the order shown is a limiter 14 combined with a medium-frequency amplifier stage, described in more detail below, a frequency discriminator 15, which contains a rectifier system 16. ; a low frequency amplifier 17, with one or more stages, and
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a sound reproducer 18.
An "automatic volume control" or C-A-V voltage. originates in element 14, and is applied, by a circuit 52 to the input circuit of one or more of the lamps of the oscillator-modulator 10 and of the medium frequency amplifier I3 in the same way usual.
It is understood that the various elements which have just been described may, with the exception of the limiter of element 14, be constructed and used in the usual manner, their details being known, which makes a more complete description. of these unnecessary.
Considering briefly the operation of the receiver as a whole, and disregarding, for the moment, the detailed operation of the limiter of element 14 which is to be tare described below, a desired frequency modulated wave signal is selected and transformed into a medium frequency signal modulated in frequency in the oscillator-modulator 10, amplified in the medium frequency amplifier 13, again amplified and subjected to the action of the limiter in the element 14, being limited to a level varying as a function of the average amplitude of the medium-frequency signal, and detected by the discriminator 15, so as to derive the components of the acoustic frequency modulation.
These components are amplified, in turn, in the low-frequency amplifier 17, and are reproduced by the sound reproducer 18 in the usual manner. The polarization of C.A.V. developed in element 14 adjusts the amplification of one or more of elements 10 and 13 so as to keep the amplitude of the signal entering element 14 within relatively narrow limits for a received signal the intensity of which varies within wide limits.
Referring now more particularly to the part of the receiver corresponding to the present invention, stage 14 contains two limiters 20 and 20 'which are approximately
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closely similar and constitute a particular embodiment of the present invention. These limiters are included in the channel transmitting the medium frequency wave signal, which comprises the element 13, the amplifier of the element 14 and the discriminator 15. The device 20 contains a resonant circuit 21 resonant. substantially at the frequency which is located in the middle of the pass band of the medium frequency filters of the channel. The resonant circuit 21 contains a second winding 22 of a transformer 23, and a capacitor 24, in parallel with the winding 22.
The resonant circuit 21 is formed of low loss elements 22, 24, so that it exhibits a high overvoltage Q, or a damping much lower than the critical damping; Q being defined as the ratio of reactance to resistance, a typical value of Q of this circuit can be of the order of 100.
Limiter 20 also contains a rectifier 25, of relatively low impedance, which may be an ordinary vacuum tube, thermionic diode, or a crystal diode having similar properties, such as a ger- manium crystal diode, having the composition and the characteristics described in the February 1946 issue of "Electronics", pages 118-123. Such crystal diodes have an impedance, in the conductive direction, which does not exceed several hundred ohms.
A capacitor 27 is connected with the rectifier 25 so as to form a series circuit, in parallel with the resonant circuit 21. In the conductive direction of the rectifier 25 and at the average frequency of the channel, this circuit has a much lower impedance. to that of the resonant circuit 21.
The limiter also contains a resistor 28, connected in parallel with the capacitor 27. The value of the resistor 28 is much greater than the impedance, in the conductive direction, of the series circuit mentioned last, so as to effect a rectification of peaks of the medium frequency signal, being nevertheless sufficiently lower than the mac
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dance of the resonant circuit 21 to cause, by the load of the rectifier 25, an average conductance providing the major part of the total damping of the circuit 21, however much lower than the critical damping of the latter.
It may be mentioned that although resistor 28 is shown in parallel with capacitor 27, this resistor may alternatively be connected in parallel with detector diode 25, in which circuit arrangement the resistor is also. actually in parallel with the capacitor 27, by the winding 22 of the resonant circuit 21. The capacity of the capacitor 27 is determined so as to obtain, with the resistor 28, a time constant appreciably greater than the period. the greater in radians of the amplitude modulation to be removed from the medium frequency signal transmitted by the circuit.
The bias voltage developed at the terminals of the capacitor 27 by the rectification thus varies with the average amplitude of the medium frequency wave signal transmitted, so as to vary the limit level of the limiter 20 in accordance with said average amplitude. and said voltage has a substantially constant value for the amplitude modulation to be eliminated so as to limit, by device 20, the amplitude to said limiting level.
As previously indicated, the medium frequency wave signal path including elements 10 and 13 has an adjustable gain characteristic. The bias voltage developed at the terminals of capacitor 27 serves, by circuit 52, to adjust the gain of elements 10 and 13, so as to reduce the extent of the variations in mean amplitude of the medium frequency signal transmitted. In particular, as shown, the gain of the channel is adjusted at a point preceding the resonant circuit 21 so as to reduce the limits of the variations in average amplitude of an oscillating signal applied to the resonant circuit 21.
The control electrode of the lamp 33 is connected,
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by a capacitor 34, to the resonant circuit 21, and to ground via a gate resistor 30, so as to amplify the medium frequency signal transmitted by the latter.
The limiter 20 'forms part of the output circuit of the amplifying vacuum lamp 33, and is roughly similar to the limiter 20, like elements being designated by the same reference numerals provided with an index (prime) with the with the exception that the resonant circuit 21 'contains the primary 35 of an output transformer 36. The latter comprises two secondary windings 37 and 38, which are respectively tuned by capacitors 39 and 40 on frequencies of each on either side of the mid-frequency of the mid-frequency wave signal path. The resonant circuits 37, 39 and 38,40 are individually coupled to rectifier circuits of the element 16, to constitute a frequency discriminator 15 of the usual type with lateral tuning.
The capacitance of the capacitor 24 and that of the capacitor 24 'must be sufficient so that the oscillating signal voltages developed across the respective tuned circuits 21 and 21' are sinusoidal in shape, even if the tuned circuit in question is damped. by the average conductance of the associated series circuits, which include the rectifier.
Now considering the operation of the limiter which has just been described, the rectifier 25 rectifies the peaks of the oscillating signal developed at the terminals of the resonant circuit 21, so as to produce at the terminals of the capacitor 27 a bias voltage varying with the amplitude average of the oscillating signal. In this rectification by the tip of the oscillating signal, the series circuit which comprises the rectifier 25 and the capacitor 27 has an average conductance which damps the resonant circuit 21.
The value of the damping produced is determined by the amount of energy drawn from the ridge portion of the oxcil-
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lation corresponding to the oscillating signal during each period.
This, in turn, is determined by the quantity of energy corresponding to the discharge, during each period, of the capacitor 27 by the resistor 28. The spike rectification requires that the series circuit which encloses the rectifier 25, capacitors 27 and 24 have no additional impedance which would be sufficient to reduce the peak current which passes through rectifier 25 during the times when it is conducting.
Since the resonant circuit, 21 is little damped, having a power factor of 1% for example, in the absence of any damping by the relressor 25 and, since the capacitor 24 of this circuit has a sufficiently high capacitance , as already indicated, the rectification of peaks of the oscillating signal by the rectifier 25 can increase the power factor of the resonant circuit 21 up to, for example, 10%.
Even this larger power factor is always less than 100% (critical damping), so that the oscillating signal voltages developed across the resonant circuit 21 always have an approximately sinusoidal shape. Under these conditions, the power factor of the resonant circuit 21 is increased by damping up to a value equal to the square root of 3: its value in the absence of load, for example it reaches up to 10% if the power factor of the cir Undamped resonant arc is 1%. The amplitude of the voltages of the oscillating signals across the resonant circuit is correspondingly reduced.
When capacitor 27 and resistor 28 have the values indicated above, the charge ratios indicated above allow the amplitude of the oscillating signal voltages developed across resonant circuit 21 to slowly increase and decrease over time. function of the variations of the average amplitude of the oscillating signal. That is, during the slow variations in the amplitude of the oscillating signal,
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capacitor 27 has time to charge or discharge slowly. On the other hand, the time constant of capacitor 27 and resistor 28 is significantly greater than the largest period in radians of the amplitude modulation which is to be removed from the oscillating signal.
This time constant prevents capacitor 27 from charging or discharging at a rate as fast as amplitude modulation, so that the capacitor acts as a fixed bias voltage for said modulation. As a result, the bias adjusts or modifies the limiting level of limiter 20 according to the average amplitude of the transmitted mid-frequency wave signal, has a substantially constant value with respect to the unwanted amplitude modulation to be removed, and performs thus an amplitude limitation at said level in the device 20.
If this bias voltage is applied as a C.A.V. to elements 10 and 13, as described previously, it has the effect of limiting the extent of the variations in mean amplitude of the oscillating signal applied to limiter 20.
The amplitude limited intermediate frequency signal transmitted by limiter 20 is applied to the vacuum lamp of amplifier 33, where it is amplified and applied to limiter 20 '. The operation of this limiter is substantially that described in connection with limiter 20, limiter 20 'further acting to limit any unwanted amplitude modulation which may have taken place as a result of the incomplete action of limiter 20'. It may be mentioned that limiter 20 'operates at a higher oscillating signal level than limiter 20 because of the amplification of the oscillating signal provided by amplifier lamp 33. For this reason, li- Miter 20 'can, under the same conditions, produce a better amplitude limiting effect than limiter 20.
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The oscillating signal transmitted by limiter 20 'is applied to frequency discriminator 15 which extracts therefrom the desired modulation components and applies them to amplifier 13 so that they are finally reproduced by reproducer 18, as already indicated.
Although two limiters 20 and 20 'are shown in element 14, it is obvious that one can, if desired, only employ a single limiter, and, in addition, one or more. several such limiters can be used for each stage of the medium frequency amplifier of element 13.
Figure 2 is a schematic diagram of a limiter according to a modified embodiment of the present invention, substantially similar to that of Figure 1, like elements being designated by like reference numerals, and like elements by numbers. Similar reference numbers with the index "second". The limiter of the present apparatus contains a 25 "rectifier, such as the germanium one mentioned above, and a capacitor 27, which are connected in series in a circuit inductively coupled by a transformer winding 42, effectively in parallel with a circuit. baked resonant.
The last circuit contains a transformer winding 43, tuned by variation of permeability, and a capacitor 44 shown in broken lines because it can be included in whole or in part in the proper capacitance appearing in the output circuit of the circuit. amplifying lamp 33. The transformer winding 43, comprises a winding of a transformer provided with a resonant circuit 45, inductively coupled to the winding 43, and including a transformer winding 46 which is coupled by a. tuning member by variation of permeability 47 to a transformer winding 48. The latter has a center tap 49 connected to a resonant circuit 50, so as to form a frequency discriminating circuit with three terminals.
The resonant circuit 50 comprises a winding 51 tuned by variation of permeability coupled
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inductively to the transformer winding 46. The permeability variation tuning member 47 can move so as to tune the resonant circuit 45 pax variation of the inductance of the transformer winding 46, while avoiding any variation unwelcome coupling between windings 46 and 48, or the desired balance of winding 48.
The oscillating signal transformer including elements 43 to 51, inclusive, is coupled to the rectifier device 16 so as to obtain a frequency discriminator 15 ".
The operation of the embodiment of the invention according to Fig. 2 is roughly similar to that described in connection with Fig. 1, the limiter 20 "operating to establish a limiting level across the circuit. - baked resonant 43-44 varying with the average amplitude of the oscillating signal transmitted by the amplifier lamp 33, but effecting an amplitude limitation for faster amplitude variations of the transmitted oscillating signal. thus the amplitude of the transmitted oscillating signal, a relatively constant oscillating signal voltage is developed across the resonant circuit 43-44, and a constant oscillating signal voltage is thereby induced in the resonant circuit 45.
The resonant circuits 43,44,45 and 50 are tuned to resonate on the middle frequency of the frequency modulated medium frequency signal so as to apply to the individual rectifier circuits of element 16 oscillating signals varying in amplitude in the opposite direction to the frequency deviations of the oscillating signals from their average frequency. The rectifier circuits of element 16 rectify these latter oscillating signals so as to obtain, in an output circuit of frequency discriminator 15 ", the components of the modulation of the medium frequency signal.
It is obvious from the preceding description of the invention that a limiter according to the invention has the advantage
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to automatically provide a limiting level varying with the average amplitude of the oscillating signal applied to it, thus providing an appropriate limitation of the intensities of weak oscillating signals without at the same time reducing excessively the overall gain of the receiver for strong signals. The limiter which is the subject of the present invention offers the additional advantages of great simplicity and low cost. There is the additional advantage that the object limiter of the invention provides a good limitation for any average value of the amplitude of an oscillating signal applied within wide limits of the values of said amplitude. .
By virtue of the changing level of amplitude limiting of the present limiter, tuning of a receiver of wave signals to a desired wave signal is greatly facilitated because the level of the acoustic output of the receiver is greatly facilitated. maximum in the correct tuning position, and drops off on each side of it.