Anlage zum Signalisieren Mittelst Wellen. Vorliegende Erfindung betrifft eine An lage zum Signalisieren vermittelst Wellen. Sie kann zum Beispiel eine elektrische Hoch frequenzanlage für Radiotelegraphie oder Radiotelephonie mit drahtloser oder Linien übertragung sein.
Bei derartigen Anlagen werden Signale durch Verändern der Amplitude der Über tragungswelle oder durch Unterbrechung der Übertragungswelle, oder auch durch geringe Schwankungen in der Grundfrequenz der Übertragungswelle übermittelt.
Es wird allgemein angenommen, dass es zu einer brauchbaren Übermittlung notwen dig sei, Resonanzapparate zu verwenden, wel che eine genügend grosse Bandbreite haben, das heisst, welche ungefähr gleichmässig auf die verschiedenen Frequenzen ansprechen, die im Zusammenhang mit der Modulation der Übertragungswelle auftreten.
Wenn mit der Absicht, die elektrische Wirkungsfähigkeit des Apparates zu stei- gern, schwächere Dämpfung angewendet wird, nimmt, die Steilheit der Resonanz charakteristik zu, was zur Folge hat. dass das Ansprechen auf die verschiedenen Fre quenzen, die im Zusammenhang mit der Übertragungsfrequenz benutzt werden, uri gleichmässig wird. Ausserdem entsteht bei Verwendung von Apparaten mit schwacher Dämpfung eine Erscheinung, welche ma,n ein Bestehenbleiben der Schwingungen nen nen könnte, womit das Weiterbestehen eine Schwingungszustandes in einem Resonanz schwingungsapparat gemeint ist, nachdem die Erregung zum Herbeiführen der Schwin gungen aufgehört hat.
Es ist klar, dass je ldeiner die Dämpfung des Resonanzschw in gungsapparates, desto grösser dieses Be stehenbleiben ist, und dass für Telegraphie mit hoher Geschwindigkeit zum Beispiel diese Erscheinung dem Ansprechen des End- empfängers auf die Signalwechsel am ersten Übertrager entgegenwirkt, indem die durch ein Signal erzeugten Schwingungen so lange andauern können, bis das nächste Signal an kommt.
Bei Anlagen zum Signalisieren vermit telst Wellen, insbesondere bei elektrischen Hochfrequehzanlagen, wird es je länger je wichtiger, die Wirkungsfähigkeit des Emp fängers, wozu eine hohe Selektivität gehört, aufrecht zu erhalten, aber gleichzeitig ist es notwendig, eine hohe Signalisierung,-- geschwindigkeit aufrecht zu erhalten, und wenn Radiotelephonie vorliegt, eine getreue Wiedergabe des auf den Übertrager abgege benen Signals zu erreichen.
Der Zweck der Erfindung besteht darin, bei Signalisieranlagen eine hohe Selektivität und gleichzeitig eine grosse Signalisier geschwindigkeit zu erreichen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist eine Anlage zum Signalisieren mittelst Wel len, insbesondere eine Anlage zum Signali sieren mittelst elektrischen Wellen vorge sehen, welche am Empfänger einen Resonanz apparat mit so schwacher Dämpfung auf weist, dass ein Bestehenbleiben der Signal schwingungen auftritt, wobei die auf den Resonanzapparat übertragenen Signalschwin gungen in -der Phase periodisch (zum Bei spiel durch einen Hilfswechselstrom) mit einer Frequenz verändert werden, die von der 1Nodulierungsfrequenz der Schwingungen um so viel verschieden ist, dass .die im Resonanz apparat während irgend einer Periode, mit dem Bestreben bestehen zu bleiben,
auftre tenden Schwingungen durch eintretende Schwingungen von anderer Phase während der nächstfolgenden Periode eine Gegenwir kung erfahren. Vorzugsweise findet ein pe riodisches Umkehren der Phase der Signal schwingungen im Resonanzapparat statt.
Die oben genannte schwache Dämpfung ist kleiner als normalerweise für eine getreue Wiedergabe erforderlich und kann als die jenige angesehen werden, welche charak teristisch ist für einen Schwingungsapparat mit leicht positivem Widerstand bezw. mit null oder selbst mit negativem Widerstand, und unter dem Ausdruck "getreue Wieder- gabe" ist diejenige Wiedergabe zu verstehen, bei welcher die in dem Schwingungsapparat durch ein Signal entstandene Energie. ver schwindet, bevor der Apparat durch das dar auffolgende Signal wieder erregt wird.
Das Verändern der Phase der Signal schwingungen kann sowohl am Sender als am Empfänger stattfinden. Wenn die Phasen änderung am Sender stattfindet, so enthält die Übertragung aufeinanderfolgende Wel lenserien verschiedener, zum Beispiel ent gegengesetzter Phase, welche durch rhyth misches Verändern der Phase der Übertra gungswelle hervorgebracht werden können. Bei einer beispielsweisen Übertragungsart werden .die in der Phase verschiedenen Wel lenserien mittelst verschiedenen Antennen, zum Beispiel Strahlwerferantennen, ausge sandt, die in einem Abstand auseinander liegen, um den Empfang der Signale nur in einer oder in mehreren bestimmten Richtun gen zu ermöglichen.
Wird die rhythmische Phasenveränderung im Empfänger selbst vorgenommen, so kann die Übertragung eine normale sein, zum Beispiel auf Amplituden modulation beruhender Rundfunk.
Die Frequenz des rhythmischen Phasen wechsels muss geringer als die Träger- oder Grundfrequenz der Übertragung sein, jedoch höher als jede iffodulationssignalfrequenz. Die Erfindung ist sowohl auf Anlagen mit Amplitudenmodulation, als auch Frequenz- modulation der Übertragungswellen anwend bar.
Die beiliegenden Zeichnungen stellen schematisch verschiedene beispielsweise Aus führungsarten der Erfindung in Anwendung auf eine Signalisieranlage mittelst hochfre quenter elektrischer Wellen .dar. Es ist: Fig. 1 eine Schaltung zur Erläuterung- des Erfindungsprinzips; Fig. 2 zeigt Kurven, welche das Steigen und Fallen der Energie in Schwingungsappa raten mit verschiedener Dämpfung darstellen:
Fig. 3, .t und 5 zeigen Kurven, welche die Beherrschung der Schwingungsenergie in dämpfungsarmen Kreisen erläutern; Fig. 6 ist eine Schaltung eines in der erfindungsgemässen Anlage verwendbaren Empfängers und Fig. 7 eine Schalttang eines solchen Sen ders.
G emäss Fig. 1 wird zum Signalisieren die nende Schwingungsenergie 10 (hier elek trische Energie) -durch Spulen 11, 12 nach einem Resonanz-Schwingungsstromkreis 13 geleitet, wobei die Anordnung der Spulen 11 und 1.2 derart ist, .dass die zwei entstehenden, auf dem Stromkreis 13 übertragenen Ströme entgegengesetzte Phasen haben.
Der Schwingungsstromkreis 13 enthält einen piezoelektrischen Kristall 15, durch welchen eine hohe Selektivität erreichbar ist. Durch bekannte Mittel, welche hier nur durch eine Taste 14 angedeutet sind (die Ventile und die Einstellvorrichtungen, die gewöhnlich verwendet werden, sind weg gelassen), wird Energie in den Schwingungs stromkreis 1.3 durch die Spule 11 eingeleitet, wenn die Erregung des Apparates erforder lich ist, und die andere Spule 12 wird wäh rend den zwischenliegenden Perioden erregt, um Schwingungen aufzuheben, die vorher durch die Spule 11 erzeugt wurden.
Die Phasenumkehr der Erregung kann in anderer Weise auch durch eine kleine Veränderung der Frequenz der Erregung unter Verwendung eines zwischengeschalteten Schwingungsapparates erzeugt werden, wel cher scharf auf den Mittelwert der Erre gungsfrequenz eingestellt ist.
In Fig. 2 sind drei Kurven 16, 17, 18 gezeigt, welche in bezug auf eine Zeitaxe 0-X und eine Axe 0-Y für die Ampli tuden in dem Resonanzstromkreis das Stei gen und Fallen der Energie in drei Strom kreisen darstellen, von denen derjenige, wel cher der Kurve 18 entspricht, die kleinste Dämpfung hat.
Wenn Schwingungsenergie auf einen Ap parat mit einer Charakteristik entsprechend der Kurve 18 gegeben wird, ist die Zeit, für welche das Aufheben der Erregung dieses Apparates durch seine eigene Dämpfung allein nötig wäre, viel grösser, als die Zeit- lauer, die zwischen aufeinanderfolgenden Signalen zulässig ist, namentlich beim Sig nalisieren mit höher Geschwindigkeit, und deshalb wird ein Beherrschen der Energie in dem Schwingungsapparat notwendig.
Wenn zum Beispiel durch Erregung des Apparate: die Energie auf Punkt 38 auf der Kurve 18 steigt, ist die Zeit 0-39 zum Aufheben der Erregung durch die eigene Dämpfung grösser als zulässig, aber durch Beherrschen der Energie kann diese Zeit auf einen annehm baren, kleinen Betrag von 0-40 verringert werden.
Dieses Beherrschen kann durch perio disches Umkehren der Phase der Erregung bewirkt werden, das heisst es kann die Ener gie in dem Apparat während etwa 50 Perio den zum Ansteigen gebracht werden, und so dann während einer andern Zeitdauer von etwa 50 Perioden verringert werden, indem Eine Erregung in der entgegengesetzten Phase angewendet wird.
In Fig. 3 sind Kurven dargestellt, die die Phasenveränderung am Sender bezw. am Empfänger veranschaulichen, und es sind in dieser Figur die veränderlichen Amplituden werte als Ordinaten über den Zeitwerten auf der Abszisse eingezeichnet. Die -Kurven be deuten Umhüllende um die Übertragungs- wellenenergie und zeigen aufeinanderfolgende Perioden 19 und 20, zwischen welchen eine Phasenverschiebung der Übertragungswelle um 180.
erfolgt, die zum Beispiel mittelst des Schalters 14 und der Spulen 11 und 12 in Fig. 1 so ausgeführt wird, dass während den Perioden 19 und 20 die Übertragungs delle entgegengesetzte Phase hat. Die da durch in einem hochgradig selektiven, das heisst schwach gedämpften Schwingungs apparat, hervorgerufene Wirkung ist durch die Kurven der Füg. 4 und 5 dargestellt, die eine Umhüllende für die empfangene Energie bedeuten und in denen die Amplitude der sich im Resonator bildenden Energie als Or dinate über den Zeitwerten der Abszisse er scheint.
Diese Energie sammelt sich während der Periode 19 (Fig. 3) an und wird wäh rend der nachfolgenden Periode 20 entgegen- gesetzter Phase zerstört, so dass auf diese Weise eine Aufeinanderfolge von Impulsen 21 entsteht, deren Länge gleich der Summe einer positiven Periode 19 und einer nega tiven Periode 20 ist, wie die Fig. 4 zeigt. Diese Impulse 21 entstehen somit durch Zu nahme und Abnahme von Energie, die im Schwingungsapparat infolge der aufeinander folgenden positiven und negativen Erregung 19 und 20 gebildet wird.
In dem obenstehend angegebenen und in Fig. 4 dargestellten Beispiel ist angenommen, dass der Schwingungsapparat einen Wider stand null bezw. einen geringen positiven Widerstand hat, so dass bei gleicher Dauer der Perioden 19 und 20 die Energie im Schwingungsapparat am Ende jedes Impul ses 21 null ist. Der Schwingungsapparat kann einen negativen Widerstand haben, wo bei dann bei gleicher Dauer der Perioden 20 und 19 die von den negativen Regulierimpul sen bewirkte Dämpfung ungenügend ist, um den Apparat am Ende jedes Impulses 21 in Ruhezustand zu versetzen.
In diesem Fall nimmt daher die Amplitude der Impulse 21 zu, bis sie einen maximalen, konstanten Wert erreicht, wie die Fig. 5 zeigt. Der minimale Wert der Impulse 21 dauert im Schwin- b ingsapparat an und die durch die Über tragungswelle eintretenden Schwankungen werden darauf superponiert.
Es ist ersichtlich, dass die Perioden 19 und 20 zur Erregung des Schwingungsappa rates in entgegengesetzter Phase nicht gleich zu sein brauchen. Sie werden in zweckmässi ger Weise entsprechend den elektrischen Be dingungen des Schwingungsstromkreises, wie zum Beispiel die Dämpfung, bemessen. Wenn beispielsweise der Schwingungsapparat einen kleinen positiven Widerstand hat, brauchen die Perioden 20 nicht gleich lang zu sein wie die Perioden 19 der entgegengesetzten Phase, um den Apparat am Ende jedes Impulses 21 in Ruhezustand zu bringen.
Im Betrieb werden die Modulierungs- signale (Telephonie oder Telegraphie) auf die Übertragungswelle superponiert und, da die Frequenz der Phasenveränderung höher ist (in den meisten Fällen viel höher) als die Frequenzen der Modulierungssignale, so dass jeder Modulierungssignalimpuls aus mehreren Impulsen 21 (Fig. 4 und 5) besteht, werden die Signale auch richtig empfangen.
Ein Beispiel der Anordnung der Erfin dung auf einen Empfänger ist aus Fig. 6 ersichtlich, wo ein Antennensystem 30 mit den Steuerelektroden und Kathoden von zwei elektrischen Ventilen 31 und 32 in Parallel schaltung verbunden ist. Die Anoden der zwei elektrischen Ventile können dann durch Spulen 33 und 34 mit entgegengesetzten Elektroden verbunden sein, die an einen piezo-elektrischen Kristall 35 angeschlossen sind, der genau auf die Übertrabgungs- oder Grundfrequenz eingestellt ist, welche zum Signalisieren verwendet wird und welche zum Beispiel<B>10'</B> oder<B>10'</B> Hertz betragen kann.
Die Anoden sind ferner mit den ent gegengesetzten Polen einer Induktanzspule 36 verbunden, deren Mittelpunkt an den po sitiven Pol einer Gleichstromquelle 38 an geschaltet ist, deren negativer Pol mit den Kathoden der Ventile verbunden ist. Die In duktionsspule 36 ist mit der örtlichen Wech- selstromquelle 37 gekuppelt, welche eine Fre quenz von vorzugsweise ungefähr 15000 bis 20000 Perioden pro Sekunde hat, wenn tel_e- phonische Übertragung vorliegt.
Das eine Ventil ist dann während der einen hälfte einer Periode des örtlichen Wechselstrome wirksam, und das andere Ventil während der andern Hälfte desselben. Es können auch noch Zusatzbatterien in Serie mit den Ano den der Ventile geschaltet werden, um die Betätigungsperioden der beiden Ventile un gleich zu machen.
In einem gegebenen Zeit punkt ist nur ein Ventil wirksam und zur gleichen Zeit sind Schwingungen in dem piezo-elektrischen Kristall vorhanden, wel che während der Zeit, in welcher das zweite Ventil wirksam ist, verringert und aufgeho ben werden.
Der piezo-elektrische Kristall ist eine hochgradig selektive Resonanzvorrichtung und spricht nur auf Frequenzen an, welche ganz nahe derjenigen sind, auf welche er ein gestellt ist. Demzufolge haben ankommende Signalisierungsfrequenzen, welche verschie den von derjenigen sind, auf welche der piezo- elektrische Kristall eingestellt ist, wenig oder keine Wirkung auf den Kristall, und da durch wird der Empfänger durch den Kri stall hochgradig selektiv gemacht, und da .die Schwingungen im Kristall periodisch auf gehoben werden,
so ist der Empfänger den durch das Bestehenbleiben der Schwingungen verursachten Störungen nicht unterworfen. Die eine oder beide Spulen, welche mit dem Kristall in Serie geschaltet sind, können an einen Detektor und einen Empfänger bekann ter Art angeschaltet sein. In Fig. 6 ist die Wechselstromquelle 3 7 zur Erzeugung der Phasendifferenz an den Anoden der Ventile 31 und 32 wirksam. .Sie kann aber auch an die Gitter angeschaltet sein.
Es ist klar, dass sowohl in den beschrie benen Beispielen ein piezo-elektrischer Kri stall in Verbindung mit Apparaten von nie driger Dämpfung angewendet ist, andere gleichwertige Mittel benutzt werden können, zum Beispiel ein elektrisches Ventilsystem, welches in einen Zustand von geringer Dämp fung versetzt worden ist, oder gar negativen Widerstand hat.
Ein Beispiel der Anwendung der Erfin dung auf einen Sender für Telegraphie oder Telephonie ist in Fig. 7 gegeben, wo zwei Schwingungsstromkreise 20, 21 verwendet sind, welche auf .die Grund- oder Übertra- bungsfrequenz eingestellt sind und als Aus gangskreise von elektrischen Ventilen 22 bezw. 23 dienen, welche so angeordnet sind, dass die Stromkreise in entgegengesetzten Phasen erregt werden.
Der Eingangsstram- kreis 24 .der Ventile kann in irgend einer geeigneten Weise an die Quelle .der zum Sig nalisieren verwendeten Hochfrequenzenergie angeschaltet sein.
Die beiden Schwingungsstromkreise 2.0, 21 sind vermittelst magnetischer Kupplun gen 25, 26 an einen Stromkreis 27 angeschal tet, welcher von einer Steuerfrequenz von ungefähr 15000 bis 20000 Perioden pro Se- kunde erregt wird. Die Anordnung ist so getroffen, dass die beiden Schwingungsstrom kreise 20, 21 entgegengesetzt moduliert sind, das heisst, wenn die Amplitude des einen Schwingungsstromkreises ein Maximum ist, diejenige des andern ein Minimum ist und umgekehrt.
Infolgedessen ändert die resultierende, ausstrahlende Energie ihre Phase in rhyth mischer Weise, und indem eine Steuerfre quenz von, ungefähr 15000 bis 20000 Pe rioden pro Sekunde, wie oben erwähnt, ver wendet wird, sind die rhythmischen Wech sel oberhalb der Hörbarken.
Die Schwingungsstromkreise können Aus strahlungssysteme sein oder sie können mit einem oder mehreren Schwingungssystemen gekuppelt sein. Wenn, wie bei 28 gezeigt ist, ein einfaches Ausstrahlungssystem ver wendet wird, so werden die von einer halben Periode der Steuerfrequenz verursachten Schwingungen durch die Erregung zufolge des andern Schwingungsstromkreises wäh rend der andern Periodenhälfte rasch auf gehoben.
Die Schwingungsstromkreise 20, 21 kön nen so angeordnet sein, dass sie zwei ge trennte Ausstrahlungssysteme, die einen ge wissen Abstand voneinander haben, erregen. und in diesem Falle wird den von einem Aus strahlungssystem erzeugten Schwingungen von einer nachfolgenden Schwingungsserie, von dem andern Ausstrahlungssystem her rührend, in gewissen vorbestimmten Rich tungen gegenüber den Lagen der Ausstrah lungssysteme gut entgegenwirkt. Diese Aus strahlungssysteme können Stra.hlwerferanten- nen sein.
Die Erfindung eignet sich besonders zur Anwendung auf Systeme, welche eine Fre- quenzmodulation aufweisen, welche innerhalb der Grenzen der Frequenzen erzeugt wird, in welchen ein piezo-elektrischer Kristall an spricht, das heisst ungefähr 20 Perioden. Es wird dann ununterbrochen Wellenenergie von einem Sender ausgeschickt und durch eine Signalvariation, zum Beispiel durch Sprache oder sonstwie, die Frequenz der ununterbro- chenen Wellenenergie innerhalb der oben ge nannten engen Grenzen variiert.
Gleichzeitig wird die.Phase der in ihrer Frequenz modu lierten Energie periodisch umgekehrt, und zwar entweder am Sender oder am Empfän ger. 14Iit einem Empfänger nach Fig. 6 wer den Perioden von positiver oder negativer Erregung, wie in Fig. 3 dargestellt, und Sig- nalisierungsimpulse entsprechend Fig. 4 er zielt; für Telephonie sollte die Frequenz der letzteren Impulse höher als<B>10000</B> Perioden pro Sekunde sein.
Die Modulation der übertragenen Energie bewirkt, dass die Frequenz derselben nach oben und unten um ungefähr 10 Perioden pro Sekunde variiert wird bei einer Frequenz der Signalfolge von ungefähr 1000. Der piezo-elektrische Kristall des Empfängers wird auf die mittlere Frequenz der Schwin gungsenergie eingestellt. Das Ansprechen des piezo-elektrischen Kristalles folgt somit den ig alvariationen, und folglich steigt oder S S fällt die Amplitude der Impulse in bezug auf ihre Grösse gemäss Fig. 4.
-Um die in ihrer Frequenz modulierten Signale zu empfangen, deren Modulations- bereich sehr beschränkt ist, nämlich soviel als statthaft ist für den piezo-elektrischen Kristall, ist es notwendig, den Empfänger zum guten Ansprechen für solche kleine Fre- quenzvariationen herzurichten.
Der in Fig. 6 beschriebene Empfänger be sitzt ein solch hohes Mass von Selektivität, dass er auf diese kleinen Frequenzvariationen gut anspricht, und er wird- auch dadurch ge brauchsfähig gemacht, dass die Schwingungs beharrung durch die geringe Dämpfung des Empfängers richtig und wirksam beherrscht wird.
Die Erfindung kann auf jede Wellenüber tragung, sowohl vermittelst Elektrizität oder auf akustische 'Weise, angewendet werden.