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Einrichtung zur Kompensation von in einem Übertragungssystem entstehenden
Verzerrungen Die in der elektrischen Nachrichtentechnik verwendeten Schaltungen,
wie beispielsweise Verstärker, Modulatoren, Demodulatoren, Transformatoren, Filter
usw., können bekanntlich nichtlineare Verzerrungen erzeugen, welche sich auf die
Qualität der Übertragung nachteilig auswirken. Zur Verminderung solcher Verzerrungen
werden oft Gegenkopplungsschaltungen verwendet, die jedoch keine vollständige Abhilfe
bringen und deren Durchführung oft mit Schwierigkeiten verbunden ist. Es wurde auch
versucht, die Verzerrungen durch zusätzliche Netzwerke zu kompensieren, deren Übertragungscharakteristik
der zu entzerrenden Charakteristik derart angepaßt ist, daß schließlich wieder ein
linearer Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Eingangsgröße der gesamten Übertragung
entsteht. Die Durchführung dieses Verfahrens ist jedoch oft ebenfalls mit Schwierigkeiten
verbunden, weil den praktisch vorkommenden Übertragungskennlinien (besonders Röhrenkennlinien)
im kompensierenden Sinne entgegengesetzte Kennlinien mit einfachen Mitteln meistens
nicht realisierbar sind.
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In Fig. 1 ist zum Beispiel eine in der Verstärkertechnik oft anzutreffende
nichtlineare Übertragungskennlinie dargestellt, durch welche eine Ausgangsspannung
e2 mit einer Eingangsspannung e1 verknüpft ist. Dabei tritt eine von der Eingangsspannungsamplitude
abhängige Fehlerspannung de auf. Zur Kompensation dieser Fehlerspannung
de wäre die Übertragung der Spannung über ein Entzerrungsnetzwerk mit der
komplementären Charakteristik nach Fig. 2 notwendig, damit schließlich eine Spannung
e5 entsteht, welche der Eingangsspannung e1 proportional ist. Die Realisierung dieser
komplementären Charakteristik verlangt meist einen sehr großen Aufwand.
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Die Schwierigkeiten, die mit der Durchführung der bekannten Kompensationsverfahren
verbunden sind, werden durch die vorliegende Erfindung vermieden. Die erfindungsgemäße
Einrichtung zur Kompensation von Verzerrungen, die in einem Übertragungssystem entstehen,
ist gekennzeichnet durch ein Korrekturnetzwerk, dessen Verzerrungscharakteristik
denselben oder einen ähnlichen Verlauf aufweist wie diej enige des Übertragungssystems,
durch ein wenigstens annähernd verzerrungsfreies Netzwerk, welchem dieselbe zu entzerrende
Ausgangsgröße des Übertragungssystems zugeführt wird wie dem Korrekturnetzwerk,
und durch eine Anordnung zur Bildung einer Differenzgröße aus den Ausgangsgrößen
am verzerrungsfreien Netzwerk und am Korrekturnetzwerk, wobei der Übertragungsfaktor
des verzerrungsfreien Netzwerkes so gewählt ist, daß die auf die Verzerrung zurückzuführende
Größe am Ausgang dieses Netzwerkes gleich groß ist wie die auf die Verzerrungen
zurückzuführende . Größe am Ausgang des Korrekturnetzwerkes.
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In Fig. 3 ist das Prinzip der erfindungsgemäßen Einrichtung schematisch
dargestellt. Das verzerrende Übertragungssystem ist mit P bezeichnet. Zwischen Eingangsgröße
el und Ausgangsgröße e2 besteht der zu korrigierende nichtlineare Zusammenhang,
welcher z. B. der Charakteristik nach Fig. 1 entsprechen kann. Die Ausgangsgröße
e2 enthält also außer der um den Faktor p verstärkten Eingangsgröße das auf die
Verzerrungen zurückzuführende Signal v1, d. h. e2 = p - e1 + v1. Zur
Beseitigung dieser Verzerrungen ist erfindungsgemäß das Korrekturnetzwerk Q vorgesehen,
dessen Übertragungscharakteristik gleich oder ähnlich verläuft wie diejenige des
Übertragungssystems P. Am Ausgang von Q entsteht also eine Größe e3 = q -
e2 + v, (q Verstärkungsgrad des Netzwerkes Q), deren Verzerrungen noch größer
sind als diejenigen der Größe e2. Gleichzeitig wird die Größe e2 über ein wenigstens
angenähert verzerrungsfreies System R geleitet, welches z. B. durch einen verzerrungsarmen
Verstärker od. dgl. dargestellt sein kann, so daß eine Größe e4 entsteht, welche
zu e2 proportional ist e4 = r , e2. In der Anordnung D wird
schließlich die korrigierte Ausgangsgröße e, als Differenz zwischen e4 und e3 gebildet.
Unter Vernachlässigung konstanter Verstärkungs- oder Abschwächungsfaktoren, welche
für die Betrachtung der Wirkungsweise unwesentlich sind, können für die Übertragungsfaktoren
der einzelnen Teile auch folgende Ansätze gemacht werden.
Dabei sind mit 81 und d2 die Abweichungen vom linearen Zusammenhang
bezeichnet, welche von ei bzw. e2 abhängig sind und bei kleinen Amplituden
gewöhnlich verschwinden. Die Verzerrungen des Korrekturnetzwerkes Q können kleiner
sein als diejenigen des Übertragungssystems P. Der Übertragungsfaktor des verzerrungsfreien
Systems R -ist dabei entsprechend dem Verhältnis 7z beider Verzerrungen einzustellen.
Man erhält schließlich die Ausgangsspannung
Die Ausgangsspannung e5 ist also der Eingangsspannung ei proportional; und sie ist
von Verzerrungen praktisch frei, solange das Quadrat der Verzerrungsgröße 8 gegenüber
1 vernachlässigt werden darf.
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Die beschriebene Entzerrungseinrichtung, welche aus der Zusammenschaltung
des Korrekturnetzwerkes Q, des verzerrungsfreien Netzwerkes R und der Anordnung
D gebildet ist, führt also zu einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen den Spannungen
e2 und e5, der z. B. der Charakteristik nach Fig. 2 entspricht und somit die Verzerrungen
des Übertragungssystems P gerade kompensiert. Das verzerrende Übertragungssystem
P kann z. B. aus einer Mehrzahl (n) von Einzelsystemen zusammengesetzt sein, welche
je die Verzerrungsgröße 8o aufweisen. Zur Kompensierung der totalen Verzerrung genügt
die Verwendung eines kompensierenden Netzwerkes Q, dessen Verzerrung derjenigen
eines Einzelsystems entspricht. Es gilt dann
Bei der praktischen Durchführung wird in vielen Fällen die Übertragungslaufzeit
im Korrekturnetzwerk Q eine Rolle spielen. Sie wirkt sich in einer Phasendrehung
der Ausgangsgröße e3 gegenüber der Eingangsgröße e2 aus, so daß die Momentanabweichungen
zwischen Eingangs-und Ausgangsgröße auch bei kleinen nichtlinearen Verzerrungen
relativ groß sein können. Die beschriebene Entzerrungseinrichtung ist dann nicht
mehr ohne weiteres zu gebrauchen, weil die durch solche Phasendrehungen verursachten
Abweichungen ö2 bzw. deren ,Quadrat nicht mehr vernachlässigt werden dürfen. Es
ist vielmehr in solchen Fällen als zusätzliche Maßnahme eine Verzögerungsleitung
im verzerrungsfreien System R vorgesehen, deren Laufzeit z2 mit der mittleren Laufzeit
im Korrekturnetzwerk Q übereinstimmt. Eine Übereinstimmung mit der Laufzeit zrl
des verzerrenden Übertragungssystems P ist jedoch nicht notwendig.
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Ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in Fig.
4 gezeigt. Es bedeuten P1 eine Sendeapparatur, der das zu übertragende Signal ei
zugeführt wird, P2 eine Empfangsapparatur, deren Ausgangsspannung e2 zufolge der
für P1 und P2 geltenden Übertragungscharakteristik Verzerrungen enthält. Die Signalübertragung
zwischen Sendeapparatur und Empfangsapparatur erfolgt beispielsweise mittels Amplitudenmodulation.
Das zur Entzerrung verwendete Korrekturnetzwerk Q weist eine -Übertragungscharakteristik
auf, welche derjenigen des Übertragungssystems (P1 + P2) gleich oder ähnlich ist.
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Die beschriebene Einrichtung läßt sich nun sinngemäß auch bei der
Übertragung von frequenz- oder phasenmodulierten Schwingungen anwenden. In diesem
Falle sind nicht mehr die Amplitudenabweichungen der übertragenen Schwingungen,
sondern ihre Phasenabweichungen von Bedeutung. Beim Korrekturnetzwerk Q muß es sich
deshalb um die Nachbildung der im Übertragungssystem P auftretenden Phasendrehungen
handeln. In der Anordnung D ist nunmehr eine Ausgangsgröße zu bilden, deren Phase
dem Phasenunterschied der beiden zugeführten Spannungen e3 und e4 entspricht. Es
ist also nicht mehr die Differenz der Momentanwerte zweier Spannungen, sondern die
Differenz der Momentanfrequenzen und Phasenwinkel zu bilden. Zu diesem Zweck wird
ein Modulator verwendet, der die Differenzfrequenzen in bekannter Weise durch Überlagerung
erzeugt. Für die frequenz- oder phasenmodulierte Schwingung gilt allgemein der Ansatz
e = sin [a) t -E- p (t)]. Dabei ist der momentane Modulationszustand durch
die Größe cp (t) gekennzeichnet. Die wesentlichen Übertragungsmerkmale des
Übertragungssystems P, des Korrekturnetzwerkes Q und des Netzwerkes R sind dann
P:zl, 4g71; Q:T" R:,c2, 4q7=0. Dabei sind durch -cl bzw. z2 die Übertragungslaufzeiten
gekennzeichnet und durch d cpl bzw. d q72 die Abweichungen vom linearen Phasengang.
Die gesamte Phasendrehung 97P des Übertragungssystems P in Funktion der Frequenz
kann z. B. dem Verlauf nach Fig. 5 entsprechen. Ein frequenzproportionaler Anteil
"dieser Phasendrehung beträgt cpz und entspricht der Übertragungslaufzeit t. Dieser
Anteil hat lediglich eine Verzögerung, aber keine störende Verzerrung zur Folge.
Störend wirkt dagegen die verbleibende Konstante 4 q71. Diese ist durch die Einrichtung
zu kompensieren; es muß daher im Kompensationsnetzwerk Q eine zusätzliche Phasendrehung
4 g72 bewirkt werden.
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Eine Einrichtung zur Durchführung dieser Kompensation ist als Beispiel
in Fig. 6 gezeigt. Das verzerrende Übertragungssystem P enthalte ein Bandfilter
oder eine Anordnung mit mehreren Bandfiltern. Im Kompensationsnetzwerk Q ist mindestens
ein Bandfilter gleicher Art enthalten, dessen Laufzeit z2 beträgt. Eine Verzögerungsleitung
oder eine Leitungsnachbildung mit der gleichen Laufzeit ist in dem verzerrungsfreien
Netzwerk R enthalten. Die Ausgangsfrequenzen der Netzwerke Q bzw. R werden in den
Vervielfachungskreisen Ml bzw. M2 mit dem Faktor m bzw. (in -;- 1) vervielfacht,
so daß eine Ausgangsspannung e3 mit der Frequenz m - co bzw. eine Ausgangsspannung
e4 mit der Frequenz (na + 1) - (i) entsteht. Dabei bedeutet co die
Frequenz der Spannung e2. In der Anordnung D wird daraus durch Modulation die Ausgangsspannung
e5 mit der Differenzfrequenz co gewonnen. Der Vervielfachungsfaktor in entspricht
dem Verhältnis der Phasenabweichungen in P und Q c03 = 7sa - (o2
, 993 = 73a » (T2 + 49'2) 4J4 = (i12 -`-
1) - C02 , 974 = (m -f - 1) ' 992 ;
(05
= 0)4- 0J3 = CO2 , T5 (t) = 'P4 (t) - @3 (t) - @l
(t Z) .
Wenn also z. B. im Übertragungssystem P eine Anordnung
mit m gleichen Bandfiltern enthalten ist, so genügt im Korrekturnetzwerk Q ein einziges
Filter derselben Type. Der Phasenwinkel der Ausgangsspannung e6 stimmt dann mit
dem Phasenwinkel der Eingangsspannung ei, abgesehen von der Übertragungslaufzeit,
überein. Da dieser Phasenwinkel bei Frequenz-oder Phasenmodulation für das zu übertragende
Signal kennzeichnend ist, werden störende Verzerrungen im Signal e5 vermieden.
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In Fig. 7 ist als weiteres Beispiel eine Einrichtung zur Verzerrungskompensation
für frequenz- oder phasenmodulierte Signale gezeigt, bei welcher auf eine Frequenzvervielfachung
verzichtet werden kann. Zur Eliminierung der durchVerstärkungsschwankungen und durch
frequenzabhängige Übertragungseigenschaften der beteiligten Kreise verursachten
Amplitudenabweichungen sind die Begrenzer B1 und B2 vorgesehen, die so eingestellt
sind, tlaß die Amplituden E3 und E4 der Spannungen e3 bzw. e4 ,der Bedingung genügen:
Da die zu kompensierenden Phasenabweichungen des Übertragungssystems P wie auch
die zusätzlichen Phasenänderungen des Korrekturnetzwerkes Q nicht durch die Signalamplitude
beeinflußt werden, ist die Wirkung der Begrenzer für die Arbeitsweise der Einrichtung
an sich ohne Belang. In der Anordnung D entsteht schließlich wieder eine Ausgangsspannung
e5, die der Eingangsspannung ei entspricht und somit keinen zusätzlichen Phasenfehler
mehr aufweist. Auch bei dieser Einrichtung ist im verzerrungsfreien Netzwerk R eine
Verzögerungsleitung vorgesehen, deren Laufzeit der Übertragungslaufzeit des Netzwerkes
Q entspricht.
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Ein weiteres Beispiel für eine Kompensationseinrichtung, bei der ebenfalls
Frequenzvervielfachung vermieden wird, ist in Fig. 8 gezeigt. Analog zu Fig. 6 wird
hier in der Anordnung D ein Modulationsprodukt aus e3 und e4 gebildet. Dieses Modulationsprodukt
enthält eine Komponente e", welche den Momentanabweichungen des Phasenwinkels zwischen
e3 und e4 gegenüber dem Wert 90° entspricht. Die Spannung e, verschwindet also,
wenn der Phasenunterschied beider Spannungen genau 90° beträgt. Das verzerrungsfreie
Netzwerk R enthält einen zusätzlichen Phasendrehkreis, der die Phase der zugeführten
Spannung um 90° dreht. Die Ausgangsspannung e4 wird über einen durch e, gesteuerten
Phasenmodulator PM geleitet, so daß schließlich eine Ausgangsspannung e8 entsteht,
deren zusätzliche Phasenänderungen dem Phasenwinkel des Netzwerkes Q proportional
sind. Auch bei dieser Anordnung ist also die Ausgangsspannung e$ frei von Phasenverzerrungen.
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In Fig. 9 ist eine ähnliche Einrichtung gezeigt, wobei in der Anordnung
D wieder das Modulationsprodukt oder einfach die Differenzspannung gebildet wird.
G enthält einen Phasendemodulator, dessen Ausgangsspannung zunächst den momentanen
Phasenabweichungen von e4 entspricht. Zu dieser Ausgangsspannung wird die durch
Differenzbildung gewonnene Spannung e, addiert, wodurch schließlich das korrigierte
Ausgangssignal e9 entsteht.
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In der Einrichtung nach Fig. 10 werden die phasenmodulierten Schwingungen
e3 und e4 in G1 bzw. G2 getrennt demoduliert. Durch Differenzbildung zwischen den
modulationsfrequenten Signalen e13, e14 entsteht das unverzerrte Ausgangssignal
e9. Bei dieser Anordnung ist wieder das bereits oben erwähnte Amplitudenverhältnis
der Spannungen e3 und e4 einzuhalten. Die in Fig. 10 gezeigte Anordnung ist grundsätzlich
auch für amplitudenmodulierte Schwingungen geeignet. Es sind dann bei G1 und G2
an Stelle von Phasendemodulatoren entsprechende Gleichrichter vorzusehen.