DE1154530B

DE1154530B - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer gemischt amplituden- und phasenwinkelmodulierten Traegerschwingung

Info

Publication number: DE1154530B
Application number: DER25166A
Authority: DE
Inventors: Kerns Harrington Powers
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1958-03-27
Filing date: 1959-03-18
Publication date: 1963-09-19
Also published as: FR1221400A; NL237586A; US3054073A; GB918583A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Signals, dessen augenblickliche Phase oder Frequenz in Abhängigkeit von der Nachricht schwankt, die übertragen werden soll.

Sender, die mit der üblichen Phasenmodulation (PM) oder Frequenzmodulation (FM) arbeiten, werden -unter dem Begriff phasenwinkelmodulierter Sender zusammengefaßt. Der Sammelausdruck »Phasenwinkelmodulation« umfaßt also sowohl FM als auch PM. Bei PM- oder FM-Sendern wird die Information durch Änderung der momentanen Phase oder Frequenz übertragen. Die von diesen Senderarten erzeugten Signale sind gleichwertig, d. h., sie können durch die üblichen mit Begrenzer und Diskriminator arbeitenden Verfahren demoduliert werden, wie sie bei üblichen PM- oder FM-Empfängern Anwendung finden. Zum Empfang des durch solche Sender erzeugten Signals werden also keine besonderen Empfänger benötigt, und im Falle von Rundfunksendungen können diese mittels der billigen PM- oder FM-Heimempfänger aufgenommen werden.

Der Sender gemäß der Erfindung besitzt außer der obenerwähnten Kompatibilität der Signale einen weiteren, sehr wichtigen Vorteil gegenüber den bekannten Sendern für Phasenwinkelmodulation. Das durch den Sender gemäß der Erfindung erzeugte Signal nimmt nämlich nur etwa die Hälfte des Frequenzbandes im Spektrum ein, das die üblichen phasenmodulierten oder frequenzmodulierten Signale überdecken. Das Problem der Verringerung der Bandbreite nimmt im Hinblick auf die überbesetzten Rundfunkbänder an Bedeutung laufend zu. Außerdem ist die Verringerung der Bandbreite bei den derzeit üblichen Bandaufzeichnungsverfahren für Fernsehzwecke von erheblicher Bedeutung. Die Phasen- und Frequenzmodulation bringt bei derartigen Aufzeichnungen den Vorteil mit sich, daß Einflüsse von Nichtlinearitäten und Inhomogenitäten des Bandes weitgehend verringert werden, während andererseits das begrenzte Frequenzband der Aufzeichnungsköpfe den maximal verfügbaren Frequenzbereich bestimmt. Es ist wünschenswert, diesen Magnetköpfen ein Signal zuzuführen, dessen Frequenzspektrum der Frequenzcharakteristik der Köpfe eng angepaßt ist, so daß sowenig Verzerrungen wie möglich entstehen.

Zur Einsparung von Frequenzbereich ist es bereits bekannt, sich der Einseitenbandübertragung (SSB) zu bedienen. Das Einseitenbandsignal wird mittels einer der bekannten Amplitudenmodulationsverfahren (AM) erzeugt. Die von Einseitenbandsendern gelieferten Signale sind jedoch in dem obenerwähnten Sinne nicht kompatibel, solche Signale erfordern viel-

Schaltungsanordmmg

zur Erzeugung einer gemischt amplituden-

und phasenwinkelmodulierten

Trägerschwingung

Anmelder:

Radio Corporation of America,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. März 1958 (Nr. 724 453)

Kerns Harrington Powers, Trenton, N. J.

(V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

mehr besondere, komplizierte und teure Empfänger, die mit Synchrondemodulation mit Hilfe eines Trägers arbeiten, der örtlich im Empfänger erzeugt werden muß. Die Frequenzstabilisierung dieses örtlich erzeugten Trägers ist wegen der hohen Genauigkeitsanforderungen schwierig.

Es ist ferner unter dem Namen »Amplituden-Phasen-Quadratur-Modulation« ein Modulationsverfahren bekanntgeworden, bei dem ein hochfrequenter Träger sowohl in der Amplitude als auch in der Phase derart moduliert wird, daß das ausgestrahlte Spektrum nur noch die Hälfte der bei symmetrischer AM benötigten Bandbreite einnimmt. Die erforderliche Phasenverschiebung von 90° zwischen den Seitenbändern wird im bekannten Falle auf zwei verschiedene Arten erreicht. Einmal arbeitet der Steuergenerator auf die PM-Stufe, während die AM im Leistungsverstärker erfolgt. Die Modulationsspannung wird dabei dem Phasenmodulator über einen Phasenschieber von 90° zugeführt. Im anderen Falle wird ein Gegentaktmodulator verwendet. Die Träger-So frequenz wird um 90° in der Phase gedreht und phasenmoduliert. Der Steuergenerator speist den Gegentaktmodulator, der direkt von der Modulations-

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schwingung beaufschlagt wird. Die Zusammensetzung der beiden Spektren erfolgt in einem gemeinsamen Schwingkreis, der vor einem Leistungsverstärker liegt.

Es ist auch bereits bekannt, daß bestimmte Phasenbeziehungen eingehalten werden müssen, um bei einer Modulation der letztgenannten Art eine maximale Bandersparnis und eine unverzerrte Wiedergabe zu erreichen.

Durch die Erfindung soll eine Schaltungsanordnung zur gleichzeitigen Phasenwinkel- und Amplitudenmodulation einer Trägerschwingung angegeben werden, die sich durch besondere Einfachheit und Betriebssicherheit auszeichnet.

Eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer gemischt amplituden- und phasenwinkelmodulierten Trägerschwingung, enthaltend einen Phasenwinkelmodulator und einen Amplitudenmodulator, in denen die Trägerschwingung mit zwei gegeneinander um 90'° in der Phase verschobenen, die zu übertragende Information enthaltenden Signalen so zuerst in der Phase und dann in der Amplitude moduliert wird, daß die Information durch Phasenwinkelschwankungen eines verbleibenden Seitenbandes der Trägerschwingung übertragen wird, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Logarithmus des dem Amplitudenmodulator zugeführten Modulationssignals um 90° in der Phase gegenüber der durch den Amplitudenmodulator modulierten, bereits phasenwinkelmodulierten Trägerschwingung verschoben ist.

Um dies zu erreichen, kann vor den Modulationssignaleingang des Amplitudenmodulators entweder eine Exponentialstufe oder eine ein Filter und einen Hüllkurvendetektor enthaltende Reihenschaltung geschaltet sein.

Es bestehen verschiedene Möglichkeiten, die Schaltungsanordnungen aufzubauen, in denen die Erfindung Anwendung finden kann. So kann ein die zu übertragende Information enthaltendes Eingangssignal, beispielsweise ein Bildsignal, Tonsignal oder ein mit einer beliebigen anderen Information moduliertes Signal, dem Eingang eines breitbandigen Netzwerkes (im folgenden kurz »Phasenspalter«) zugeführt werden, das zwei Signale liefert, die in der Phase gegeneinander um 90° verschoben sind. Das erste dieser beiden Signale wird als Modulationssignal einem Phasenmodulator zugeführt, so daß am Ausgang dieses Modulators eine phasenwinkelmodulierte Trägerschwingung zur Verfügung steht. Das zweite der beiden Signale durchläuft eine nichtlineare Schaltung mit einer exponentiellen Übertragungsfunktion, wobei ein Ausgangssignal entsteht, das eine Potenz des Eingangssignals ist. Dieses potenzierte Ausgangssignal wird einem Amplitudenmodulator als Modulationssignal zugeführt, wobei das phasenwinkelmodulierte Ausgangssignal des Phasenmodulators amplitudenmoduliert wird, so daß eine gemischt amplituden- und phasenmodulierte Schwingung entsteht, die Seitenbandfrequenzen besitzt, die nur auf einer Seite der Träger-Nennfrequenz liegen und die die zu übertragende Nachricht in ihren momentanen Phasenschwankungen trägt. Eine andere Möglichkeit, eine gemischte amplituden- und frequenzmodulierte Schwingung desselben allgemeinen Typs zu erzeugen, besteht darin, das erste der beiden gegeneinander um 90° phasenverschobenen Signale einem Frequenzmodulator zuzuführen, um einen Oszillator in der Frequenz zu modulieren, und dann einem Amplitudenmodulator, wobei das zweite der beiden gegeneinander um 90° in der Phase verschobenen Signale demselben Amplitudenmodulator durch ein Integrationsnetzwerk und eine nichtlineare Schaltung mit einer exponentiellen Übertragungscharakteristik zugeführt wird. Es wird also, zusammenfassend gesagt, durch eine gleichzeitige Amplituden- und Phasenwinkelmodulation ein moduliertes Signal erzeugt, dessen augenblickliche Phase oder Frequenz in Abhängigkeit von der gewünschten Information

ίο schwankt und das Komponenten enthält, die lediglich auf einer Seite der Trägerfrequenz liegen. Das so erzeugte Signal ist in dem oben definierten Sinne voll verträglich.

Es kann wünschenswert sein, eine modulierte.

Schwingung zu erzeugen, deren momentane Frequenz in Abhängigkeit von der zu übertragenden Information schwankt und bei der alle Seitenfrequenzkomponenten auf einer Seite einer Frequenz liegen, die gegenüber der Trägerfrequenz geringfügig verschoben ist und bei der sich die Seitenbandkomponenten auf beide Seiten des Trägers erstrecken, jedoch in verschiedenem Ausmaß. In diesem Falle wird eine modulierte Schwingung erzeugt, die etwa einer Restseitenband-Amplitudenmodulation analog ist.

Andererseits können die Seitenbandkomponenten auch nur auf einer Seite der Trägerfrequenz liegen. Diese Verhältnisse können gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch angenähert werden, daß das Eingangssignal dazu benutzt wird, einen Oszillator frequenzzumodulieren, daß dann das frequenzmodulierte Signal durch ein Filter geleitet wird, das entweder alle oder nur einen Teil der Frequenzen eines Seitenbandes entfernt, daß die am Filterausgang auftretende Hüllkurve demoduliert wird und mit dieser der frequenzmodulierte Ausgang des Oszillators in der Amplitude moduliert wird. Auf diese Weise entsteht eine gemischt amplituden- und frequenzmodulierte Schwingung, die Seitenbandfrequenzen besitzt, die (in guter Näherung nur auf einer Seite derTrägerfrequenz oder einer gegenüber der Trägerfrequenz versetzten Frequenz liegen und die die Nachricht in Form von momentanen Frequenzschwankungen tragen. Die so erzeugte Schwingung ist in dem erwähnten Sinne vollständig verträglich.

Die Erfindung soll nun an Hand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden; es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Senders gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild eines breitbandigen 90°- Phasenspaltemetzwerkes,

Fig. 3 ein teilweise schematisiertes Schaltbild einer nichtlinearen (insbesondere exponentiellen) Schaltung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform eines Senders gemäß der Erfindung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Abwandlung der Anordnung nach Fig. 5.

Eine hybride, gemischt amplituden- und phasenmodulierte Schwingung kann durch den Ausdruck a(t)cos [«ν+ -!/'(*)] dargestellt werden. Dies entspricht einer gleichzeitigen AM durch a(t) und einer

PM des Trägersignals cosco₀i durch y)(t). Wird eine solche Schwingung in geeigneter Weise erzeugt und dann übertragen, so kann die Information entweder durch die momentane Phase ω (ί) oder ihre Ableitung,

die momentane Frequenz ψ' (ί) oder durch die Hüllkurve a. (t) übertragen werden. Die Nachricht kann auf der Empfängerseite aus der Phase ψ(ί) oder der Frequenz ψ' (ί) mittels der üblichen Begrenzer und Diskriminatoren (wie sie in den üblichen FM- und PM-Empfängern vorhanden sind) demoduliert werden oder durch Demodulation der Amplitudenhüllkurvea(i)· Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die erste der beiden Möglichkeiten, d. h. die Übertragung der Nachricht durch die momentane Phasenlage -ψ (f) oder durch ihre Ableitung, die momentane Frequenz.

Bei einer gemischten amplituden- und phasenmodulierten Schwingung der hier interessierenden Art muß ein funktioneller Zusammenhang zwischen der Amplitude oder Hüllkurve a{t) und der Phase w(t) der Schwingung bestehen, wenn die Komponenten der hybriden Schwingung nur auf einer Seite des Trägers liegen sollen. Für eine gegebene Hüllkurve ist die zugehörige Phase jedoch nicht eindeutig, bei dieser Signalart mit begrenzter Bandbreite ist eine unendliche Anzahl von Phasenänderungen möglich. Nur eine von diesen, die sogenannte Minimumphase, gibt jedoch die geringstmögliche Bandbreite auf einer Seite des Trägers. Es wurde festgestellt, was auch mathematisch bewiesen werden kann, daß die Hüllkurve und die Minimumphasenfunktion eindeutig verknüpft sind und daß insbesondere die Minimumphasenfunktion in Quadratur zum Logarithmus der Hüllkurve stehen muß.

Fig. 1 stellt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Erzeugung einer hybriden amplituden- und phasenmodulierten Schwingung dar, die Komponenten aufweist, die auf nur einer Seite des Trägers liegen und deren momentane Phase ψ (ί) ist. Die zu übertragende Nachricht in Form des Eingangssignals wird einem breitbandigen 90°-Phasenspalternetzwerkl zugeführt, dessen zwei Ausgänge, die an den Ausgangsleitungen 2 und 3 auftreten, gegeneinander um 90° in der Phase verschoben sind. In Anlagen, in denen das Nachrichtensignal aus Sprache besteht, haben Phasenverzerrungen wenig Einfluß auf die Verständlichkeit, so daß irgendein vernünftiges breitbandiges Phasenschiebernetzwerk in der Einheit 1 verwendet werden kann. So kann beispielsweise eines der Netzwerke Verwendung finden, die in dem Aufsatz »Wideband Phase Shift Networks« von R. B. Dome im »Electronics«, Dezember 1946, S. 112 bis 115, beschrieben sind. Bei Anlagen, in denen eine Bildinformation als Nachrichtensignal übertragen werden soll, ist eine Phasenverzerrung nicht tragbar; in diesem Fall muß das Ausgangssignal in der Leitung 2 ein verzögertes Abbild des der Einheit 1 zugeführten Eingangssignals sein, der Phasenspalter kann dann die in Verbindung mit Fig. 2 näher beschriebene Form haben.

Wie bereits erwähnt wurde, ist die gewünschte (Minimumphase) Funktion ψ (ί) in Quadratur, d.h. 90° phasenverschoben, in bezug auf den Logarithmus der Hüllkurve a(t). Für alle interessierenden Betrachtungen kann man annehmen, daß das Ausgangssignal in der Leitung 2 des Netzwerkes 1 dasselbe ist wie das Eingangssignal des Netzwerkes 1, und in der Praxis ist das Signal ψ (t) in der Leitung 2 bei Verwendung des Netzwerkes nach Fig. 2 ein genaues, lediglich verzögertes Abbild des Eingangssignals des Netzwerkes 1. Das Signal ψ (ί) in der Ausgangsleitung 2 enthält die Nachricht entsprechend der momentanen Phase des Nachrichteneingangssignals, gleichgültig welcher Art das letztere ist.

Das gegenüber dem Signal ψ (t) in Leitung 2 um 90° in der Phase verschobene Signal in der Ausgangsleitung 3 ist die Funktion log α (ί), also der Logarithmus der Hüllkurve. Das Signal log α (ί) wird entweder direkt oder über eine Phasenumkehrstufe 6 (was durch einen Schalter 7 bestimmt werden kann, der in der Stellung »direkte Speisung« dargestellt ist) dem

ίο Eingang einer nichtlinearen Einrichtung 8 zugeführt. Da die Phasenumkehrstufe 6 die Polarität des einen Ausgangssignals des Phasenspalters 11 umkehrt und da die beiden Ausgänge in Phasenquadratur zueinander stehen, eilt in der einen Stellung des Schalters 7 das der Einrichtung 8 zugeführte log α (i)-Signal dem ψ (r)-Signal um 90° vor, während in der anderen Schalterstellung das der Einrichtung 8 zugeführte log a(i)-Signal dem y>(i)-Signal _Um 90° nacheilt.

Die nichtlineare Einrichtung 8 ist eine verzögerungslose nichtlineare Schaltung mit einer exponentiellen Übertragungscharakteristik der Form y = exp x, wobei y die Ausgangsspannung für eine Eingangsspannung χ bedeutet. Die Übertragungsfunktion kann auch durch die Gleichung y = e^x dargestellt werden; χ und y haben dabei dieselbe Bedeutung wie vorher, und e ist die Basis des natürlichen Logarithmus. Die nichtlineare Einrichtung 8 kann beispielsweise einen Aufbau besitzen, wie in Verbindung mit Fig. 3 noch näher beschrieben werden wird.

Da der der Einrichtung 8 zugeführte Eingang der Logarithmus der Funktion α (ί) ist und da diese Einrichtung eine exponentielle Übertragungsfunktion besitzt, ist der Ausgang der Einrichtung 8 die Funktion selbst, d.h. die gewünschte Hüllkurve α (ί). Infolge der exponentiellen Übertragungscharakteristik der Einrichtung 8 kann das Ausgangssignal α (ί) unter keinen Umständen negativ werden.

Durch die Wirkung der beschriebenen Schaltungselemente wird die richtige und notwendige Phasenfunktion ψ (ί) und Hüllkurvenfunktion α (ί) für eine gleichzeitige PM und AM des Trägers erzeugt, wobei eine derartige Kompensationswirkung erreicht wird, daß Seitenbandkomponenten vorhanden sind, die nur auf einer Seite des Trägers liegen. Zur gleichen Zeit hat die modulierte Schwingung etwas von den Eigenschaften einer FM- oder PM-Schwingung an sich, indem die Nachricht durch die momentanen Phasen- oder Frequenzschwankungen der Schwingung übertragen wird.

Das Signal ψ(ή in der Ausgangsleitung 2 des Netzwerkes 1 wird als Modulationssignal einem Phasenwinkelmodulator 4 zugeführt, der bei der Anordnung nach Fig. 1 aus einem Phasenmodulator bestehen kann. Der Phasenmodulator 4 kann irgendeine geeignete, bekannte Form haben. Diesem Modulator wird außerdem eine Trägerschwingung cos m₀1 aus einem geeigneten Trägergenerator 5 zugeführt. Im Modulator 4 wird die Trägerschwingung cos ω₀1 mit dem y.< (i)-Signal phasenmoduliert, so daß eine

phasenmodulierte Schwingung entsteht, die in der Form cos [oj₀t + ψ(ί)] dargestellt werden kann.

Der Ausgang des Phasenmodulators 4 in Form einer phasenmodulierten Schwingung wird einem Amplitudenmodulator 9 zugeführt, sie stellt sozusagen den Trägereingang dieses Modulators dar. Das Ausgangssignal der Einrichtung 8 (das, wie beschrieben wurde, die Hüllkurvenfunktion α (t) darstellt) wird dem Modulator 9 zugeführt und stellt das

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Modulationssignal für diesen Modulator dar. Im sind um Verzögerungen \onl/W Sekunden beabstan-Modulator9 wird das Signal, das im Phasenmodu- det, wobei W in Hz die obere Grenze des Nachlator 4 mit ψ (t) in der Phase moduliert worden war, richteneingangssignals bedeutet. Ein zusätzlicher Abdurch das Signal et (0 moduliert, so daß eine hybride griff ist in der Mitte der Leitung vorgesehen. Das amplituden- und phasenmodulierte Schwingung α (ί) 5 Nachrichteneingangssignal wird beim Eingangscos [a>_ot+yj(t)} entsteht. Da das ψ(ί)- und das a(t)- anschluß 10 der Leitung; eingespeist, und das verzögerte Signal in geeigneter Weise aus 90° gegeneinander Signal xp{t) wird vom Mittelabgriff 2 abgenommen. Die phasenverschobenen Signalen erzeugt wurden, ist der Signale an den Abgriffen vor der Mitte (in Richtung Ausgang des Modulators 9 eine modulierte Schwin- auf den Eingang) stellen zukünftige Formen des gung, die spektrale oder Seitenbandkomponenten be- ίο Signals ψ (ί) dar, während die Signale an den Absitzt, die auf nur einer Seite des Trägers liegen. Die griffen zwischen der Mitte und dem Ende vergangene augenblickliche Phase dieser Schwingung isty(i). Formen darstellen. Die Signale an den Abgriffen, die Mit anderen Worten gesagt, wird im Amplituden- zukünftigen Formen entsprechen, werden jeweils um modulator 9 ein Kompensationseffekt wirksam, wobei den Faktor 2/(2 k—1)π abgeschwächt; k bedeutet daeine Gruppe der Seitenbandkomponenten (d. h. die 15 bei eine ganze Zahl entsprechend der Lage des Ab-Seitenbandfrequenzen, die auf einer Seite der Träger- griffes, von der Mitte aus gerechnet. Die Signale an frequenz liegen) im Ausgang des Phasenmodulators 4 den der Vergangenheit entsprechenden Abgriffen werpraktisch aufgehoben wird. den invertiert und um die gleichen Faktoren ab-Die vorliegende Anordnung gemäß der Erfindung geschwächt. Die abgeschwächten Signale werden in muß scharf von bekannten Anordnungen unter- 20 einer Addierstufe 11 vereinigt, die eine lineare Komschieden werden, in denen einfach ein Filter zur Ent- bination der Werte an den Abgriffen bewirkt, so daß fernung eines Seitenbandes aus dem Ausgang des am Ausgangsanschluß 3 der Addierstufe ein 90° in Phasenmodulators 4 verwendet wird. Bei Verwen- der Phase verschobenes Signal log α (t) entsteht, dung eines Filters treten im Ausgang unvermeidlich Für höhere Werte von η und damit eine längere Verzerrungen auf, insbesondere Verzerrungen der 25 Verzögerungsleitung konvergiert die Größe der Übermomentanen Phase. Bei der vorliegenden Erfindung, tragungsfunktion (von dem Signal am Anschluß 2 zu bei der zur Auslöschung ein Amplitudenmodulations- dem am Anschluß 3) im Durchlaßbereich gegen 1. verfahren herangezogen wird, wird das Seitenband, Die Phasenverschiebung bleibt im gesamten Durchdas nicht ausgelöscht wird, in einer solchen Weise laßbereich für Näherungen aller Ordnung 90°. Das (amplitudenmäßig) geändert, daß ein Entstehen von 30 Signal ψ(ί) am Anschluß 2 ist ein genaues verzögertes Verzerrungen verhindert wird. Die vorliegende Er- Abbild des Eingangssignals der Leitung am Anschluß findung gewährleistet daher eine äußerst vorteilhafte 10 und erleidet bei einer idealen Verzögerungsleitung und wirksame Anordnung zur Verringerung der für keine Phasenverzerrungen. Die Ausgangssignale des eine Übertragung eines phasenwinkelmodulierten Netzwerkes an den Anschlüssen 2 und 3 in Fig. 2, die Signals notwendigen Bandbreite. 35 den Leitungen 2 bzw. 3 in Fig. 1 entsprechen, Durch die Umkehr der Polarität des einen Aus- können, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben gangs des Phasenspalters 1 kann entweder das obere wurde, verwendet werden.

oder das untere Seitenband ausgewählt werden, bei- In Fig. 3 ist eine Anordnung dargestellt, die als spielsweise mittels der Phasenumkehrstufe 6 in Ver- nichtlineare exponentiell Einrichtung 8 in Fig. 1 Verbindung mit dem Schalter 7. Das obere Seitenband 40 Wendung finden kann. In Fig. 3 wird das vom (d.h. die Gruppe der Seitenfrequenzen oberhalb des Schalter 7 in Fig. 1 kommende log α ©-Signal einem Trägers) entsteht, wenn das der nichtlinearen Ein- Eingang eines Vereinigungs- (genauer Subtraktion-) richtung 8 zugeführte Signal log α (ί) dem ^(i)-Signal Netzwerkes 12 zugeführt. Der Ausgang der Subtrakum 90° voreilt, während bei einem Nacheilen um 90° tionsstufe 12 wird dem Eingang eines hochverstärkendas untere Seitenband entsteht. 45 den Verstärkers 13 zugeführt, dessen Ausgang seiner-Obgleich Hüllkurvenschwankungen (in Abhängig- seits das Hüllkurvensignal α (ί) liefert, das dem Amplikeit vom Hüllkurvensignal α (ί) des phasenwinkel- tudenmodulator 9 zugeführt wird. Um den Ausgang modulierten Signals notwendig für ein Spektrum sind, des Verstärkers 13 gleich der Potenz des Eingangsbei dem die Komponenten auf nur einer Seite des signals zu machen, das der Subtraktionsstufe 12 zu-Trägers liegen, können die Hüllkurvenschwankungen 50 geführt wird, ist ein Rückkopplungszweig vom Aus-(oder Amplitudenmodulation) durch Begrenzer im gang des Verstärkers 13 zurück zum anderen Eingang Empfänger beseitigt werden, und die Demodulation des Subtraktionsnetzwerkes 12 vorgesehen. Dieser kann in der gewohnten Weise stattfinden. Das bedeu- Rückkopplungszweig enthält eine Triode 14, die so tet, daß ein gewöhnlicher PM- oder FM-Empfänger geschaltet ist, daß sie als logarithmischer Verstärker verwendet werden kann, der die übliche Begrenzer- 55 wirkt, d. h. als Schaltung, die einen Ausgang liefert, Diskriminator-Anordnung enthält, so daß das durch der gleich dem Logarithmus des Einganges ist. Es den Sender gemäß der Erfindung erzeugte Signal voll kann gezeigt werden, daß bei Einschaltung eines verträglich bzw. gleichwertig ist. Durch den Be- logarithmischen Verstärkers 14 in die Rückkoppgrenzer werden im Empfänger die unerwünschten. iungsschleife in der dargestellten Weise der Ausgang Seitenfrequenzen wieder erzeugt, jedoch an einem 60 des Verstärkers 13 eine sehr gute Näherung an die Punkt, wo eine verringerte Bandbreite nicht mehr Potenz des Einganges einer Subtraktionsstufe 12 darwichtig ist. gestellt, vorausgesetzt, daß der Verstärkungsfaktor

In Fig. 2 ist eine breitbandige 9(P-Phasenspalter- des Verstärkers 13 wesentlich größer als 1 ist.

schaltung dargestelltt, die in der Einheit 1 in Fig. 1 Um ein frequenzmoduliertes Signal zu erzeugen,

Verwendung finden kann. Gemäß Fig. 2 wird für eine 65 dessen Seitenbandfrequenzen nur auf einer Seite der

Approximation rc-ter Ordnung eine Verzögerungs- Trägerfrequenz liegen, muß die Anordnung nach

leitung mit 2n—l Abgriffen an beiden Enden mit Fig. 1 nur geringfügig geändert werden. Da die

dem Wellenwiderstand R₀ abgeschlossen. Die Abgriffe momentane Frequenz proportional der Änderungs-

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geschwindigkeit der Phase ist, kann das Nachrichten- band-FM-Übertragungen. Die Amplitudenspitzen eingangssignal durch ein Integrationsnetzwerk ab- können ohne Begrenzung der Bandbreite des Modu-

gewandelt werden, um eine Phasenänderung zur lationssignals verkleinert werden, wenn man bewirkt,

Phasenmodulation wie vorher zu erzeugen. Die daß die gesamte Energie der erzeugten hybriden

Integration der momentanen Frequenz wird, in ande- 5 Schwingung auf einer Seite einer vom Träger ver-

ren Worten, ausgeführt, um die Phasenfunktion zu schiedenen Frequenz liegt anstatt auf einer Seite der

erhalten, und der Ausgang des Integriernetzwerkes Trägerfrequenz selbst. Dieses Ergebnis kann als in

wird dem Eingang des Netzwerkes 1 in Fig. 1 zu- gewisser Beziehung gleichwertig einem Restseiten-

geführt. band angesehen werden, und eine solche hybride

Nimmt man eine sinusförmige FM der Frequenz Θ ίο amplituden- und phasenmodulierte Schwingung kann

und der Abweichung ΛΘ an, so wird die Phasen- in Fig. 1 dadurch erzeugt werden, daß man dem

funktion ψ (t) = A sin Θ t, und die Quadratur wird Nachrichteneingangssignal eine Gleichspannungskom-

gegeben durch Logarithmus α (t) = A cos Θ t. Nach ponente geeigneter Größe zusetzt. Bei einer Schwin-

Durchlaufen der Einrichtung 8 ist das Hüllkurven- gung, bei der die momentane Phase oder Frequenz

signal α (i) = e^Acos0t. Da die Hüllkurve einen Spit- 15 die Nachricht enthält, ist es nicht schwierig, eine

zenwert für expzf voraussetzt, ist es klar, daß eine Gleichspannung solcher Größe zu addieren, daß die

starke Spitzenbildung eintritt, wenn die Abweichung hybride Schwingung sämtliche Seitenbandkompo-

zu groß oder die Modulationsfrequenz niedrig ist. nenten auf einer Seite einer vom Träger beabstan-

Es ist daher wichtig, daß sich das Frequenzband des deten Frequenz hat.

Modulationssignals nicht bis zur Frequenz Null er- 20 Es wurde bereits betont, daß ein Seitenband prak-

streckt. Der Versteilerungsfaktor wird übermäßig, tisch unterdrückt wird, wenn ein übliches PM- oder

wenn die Bandbreite des Modulationssignals zu viele FM-Signal zusätzlich durch eine Schwingung in der

Zehnerpotenzen umfaßt. Dieses Ergebnis muß ver- Amplitude moduliert wird, die in einer bestimmten

nünftigerweise erwartet werden, wenn gefordert wird, Beziehung zu der augenblicklichen Phase steht. Es

daß auf der einen Seite des Trägers keine Spektral- 25 wurden Mittel beschrieben, wie die genau erforder-

energie vorhanden ist, auch wenn die momentane liehe Hüllkurve aus dem Nachrichtensignal erhalten

Frequenz die Hälfte der Zeit dort verbringt. werden kann. Fig. 5 zeigt eine in mancher Hinsicht

Zur Erzeugung des gewünschten FM-Signals ver- einfachere Anordnung als die in Fig. 1, durch die die ringerter Bandbreite kann, wie in Fig. 4 dargestellt erforderliche Hüllkurve für die folgenden beiden ist, die Funktion des Integrators und Phasenspalters 30 Arten von hybriden Schwingungen angenähert werkombiniert werden. Ein Netzwerk 15 mit einer Über- den kann: Erstens eine Schwingung, deren sämtliche tragungsfunktion, wie in Fig. 4 angegeben ist, kann Seitenbandkomponenten auf einer Seite der Trägermittels einer angezapften Verzögerungsleitung, ahn- frequenz liegen, und zweitens eine Schwingung, deren lieh wie die in Fig. 2, aufgebaut werden. Die Ab- sämtliche Seitenbandkomponenten auf einer Seite schwächer für jede Anzapfung werden so gewählt, 35 einer von der Trägerfrequenz beabstandeten Frequenz daß sie die Fourier-Koeffizienten einer Kurve dar- liegen.

stellen, die im Durchlaßbereich der Funktion 11 ω Es wurde festgestellt, daß für eine bestimmte

entspricht. Auf diese Weise wird gleichzeitig mit der Phasenfunktion yj(t) eine Hüllkurvenfunktion α (t)

erforderlichen 90°-Phasenverschiebung eine Integra- existiert, für die die gesamte Energie der hybriden

tion der Eingangssignale bewirkt, so daß das log a(t)- 40 Schwingung α(ί) cos [ψ_οί + ψ(ί)] auf einer Seite

Signal entsteht. Das Eingangssignal wird um dieselbe einer von der Trägerfrequenz verschiedenen Fre-

Zeitdauer τ verzögert, um das richtige i/(i)-Signal quenz liegt. Wenn beispielsweise die Frequenzab-

zu erzeugen. Die Verzögerung kann durch einen Teil weichung auf ± J begrenzt ist, kann man erreichen,

15' der angezapften Verzögerungsleitung 15 bewirkt daß bei geeigneter Wahl der Hüllkurve keine Energie

werden wie in Fig. 2. 45 der hybriden Schwingung oberhalb von (ω₀ H- A)

Das ?/(i)-Signal dient zur FM eines Oszillators 16, oder unterhalb von (ω₀ — A) liegt,

der in üblicher Weise geschaltet sein kann. Da hier Es soll der ersterwähnte Fall angenommen und

mit FM an Stelle von PM gearbeitet wird, ist im mit α(ί) die Hüllkurve bezeichnet werden, durch die

i/(r)-Kanal keine Integration erforderlich. Der Aus- die spektrale Verteilung der hybriden Schwingung bei

gang der Verzögerungsleitung 15 wird durch die ex- 50 genügend hoher Trägerfrequenz co_a auf Frequenzen

ponentielle nichtlineare Einrichtung 8 geleitet, um unterhalb von (ω₀ + A) begrenzt wird,

die Hüllkurvenfunktion α (t) zu erzeugen, die dann Fig. 5 zeigt Mittel, um die Hüllkurve α (0 für ein

zur Amplitudenmodulation (im Amplitudenmodula- gegebenes Phasensignal y> (t) zu approximieren,

tor 9) des frequenzmodulierten Ausgangssignals des In der Anordnung nach Fig. 5 wird ein Nach-

frequenzmodulierten Oszillators 16 dient. 55 richtensignal i/(i) als Modulationssignal einem fre-

Die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 4 ent- quenzmodulierten Oszillator 16 zugeführt. Das Nachspricht der Anordnung nach Fig. 1, mit der Aus- richteneingangssignal kann durch ψ'(ί) ausgedrückt nähme, daß bei Fig. 4 ein hybrides amplituden- und werden, da eine Frequenzmodulation des Oszillators frequenzmoduliertes Signal erzeugt wird. Dieses stattfindet; bei diesem Vorgang tritt praktisch eine hybride Signal trägt die Nachricht in Form von 60 Integration ein, so daß ein frequenzmoduliertes Simomentanen Frequenzschwankungen, besitzt jedoch gnal mit einer Phasenfunktion ψ (ί) entsteht. Man gegenüber üblichen FM-Signalen eine wesentlich ge- kann, in anderen Worten gesagt, das Nachrichtenringere Bandbreite, da nur auf einer Seite der Träger- eingangssignal als die Ableitung der Phasenfunktion frequenz Seitenbandfrequenzen vorhanden sind. ψ(ί) betrachten.

Wie bereits betont wurde, treten in der Hüllkurve 65 Das frequenzmodulierte Ausgangssignal des Oszil-

starke Amplitudenspitzen auf, wenn die Abweichung lators 16 kann durch den Ausdruck cos [ω_ο(ί)+ν(Ο]

hoch oder die Modulationsfrequenz niedrig ist. Die dargestellt werden, was einer reinen FM- oder PM-

Erfmdung eignet sich daher vor allem für Schmal- Schwingung entspricht. Ein Teil dieses Signals wird

durch ein Filter 17 geleitet, das ein Seitenband teilweise oder ganz entfernt, beispielsweise den Teil oberhalb von (a>₀ + Δ), wobei oj₀ die Ruhe- oder Mittelfrequenz des Oszillators und J der maximale Frequenzhub dieses Oszillators ist. Das Ausgangssignal des Filters 17 schwankt sowohl in der Amplitude als auch in der Phase, was die naturnotwendige Folge des Ausfilterns von Seitenbandbestandteilen einer modulierten Schwingung ist. Dem frequenzmodulierten Ausgangssignal der Einheit 16 wird also im Effekt eine Hüllkurvenfunktion aufgedrückt. Das Ausgangssignal des Filters 17 kann in der Form O₁(I) cos [ω_?ί + ^₁(O] beschrieben werden. Die Phasenfunktion ψ₁ (O stellt zwar eine Verzerrung der Phasenfunktion ψ (O im Ausgang der Einheit 16 dar, die Verzerrungen liegen jedoch nur in der Größenordnung von einigen Prozenten. Ct₁(Z) ist offensichtlich eine Näherung für die exakte Hüllkurvenfunktion a(i), die notwendig ist, um die Spektralverteilung der endgültigen hybriden Schwingung auf Frequenzen unterhalb von (ω₀ + Δ) zxi begrenzen. Je kleiner die Phasenverzerrungen sind, die im Filter 17 auftreten, um so besser ist Ct₁(O an die exakte Hüllkurvenfunktion α (O angenähert.

Die Hüllkurvenfunktion a_x (O wird mittels eines Amplitudendemodulators 18, der beispielsweise ein einfacher Diodendemodulator sein kann, von dem hybriden amplituden- und frequenzmodulierten Ausgangssignal des Filters 17 abgenommen. Das Signal O₁ (O wird in einem geeigneten Verstärker 19 verstärkt.

Der übrige Teil des frequenzmodulierten Ausgangssignals des Oszillators 16 wird durch ein Verzögerungsnetzwerk 20 geleitet, das eine genügende Verzögerung einführt, um die dem Filter 17 eigene Verzögerung zu kompensieren; das verzögerte Signal cos [oj₀l + ψ(ί)] wird dem Amplitudenmodulator 9 zugeführt, um in der Amplitude durch das demodulierte und verstärkte Hüllkurvensignal O₁(O moduliert zu werden, welches dem Modulator 9 vom Ausgang des Verstärkers 19 zugeführt wird. Das sich am Ausgang des Amplitudenmodulators 9 ergebende Signal ist eine hybride amplituden- und frequenzmodulierte Schwingung. Diese Schwingung enthält auch Energie außerhalb der ausgefilterten Gruppe von Seitenbandfrequenzen, da Ci₁(O nicht mit der exakten Hüllkurvenfunktion a (0 übereinstimmt, die für eine vollständige Unterdrückung dieser außerhalb liegenden Energieteile notwendig wäre. Das modulierte Ausgangssignal des Amplitudenmodulators 9 enthält jedoch wesentlich weniger Energie außerhalb des ausgefilterten Seitenbandes als das reine FM-Ausgangssignal des Oszillators 16. Wenn also die hybride Ausgangssignalschwingung des Amplitudenmodulators 9 über einen Kanal übertragen wird, dessen obere Frequenzgrenze (co₀ + J) ist, tritt eine wesentlich geringere Phasenverzerrung auf, als ohne die Hüllkurvenänderung auftreten würde, die im Amplitudenmodulator 9 vorgenommen wurde.

Die beschriebene Anordnung nach Fig. 5 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung eines FM-Signals mit reduzierter Bandbreite, wobei die für eine gegebene Phasenfunktion ψ (t) genau erforderliche Hüllkurvenfunktion α (0 approximiert wird. Das erzeugte Signal ist in gewisser Beziehung vergleichbar mit einem amplitudenmodulierten Restseitenbandsignal, im vorliegenden Falle wird jedoch natürlich die Nachricht durch Frequenzmodulation übertragen. Die Anordnung nach Fig. 5 ergibt zwar nur eine Annäherung an die exakte Bandbreitenverringerung, die die Anordnung nach Fig. 1 liefert, ist jedoch in mancher Hinsicht einfacher als die Anordnung nach Fig. 1. Bei der Anordnung nach Fig. 5 wird beispielsweise keine breitbandige 90°-Phasenspalterschaltung oder eine exponentiell arbeitende Vorrichtung benötigt, diese beiden Netzwerke können unter Umständen Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung der Justierung machen.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung, die eine Näherung zweiter oder höherer Ordnung liefert und die auf demselben Grundprinzip arbeitet wie Fig. 5. Wenn das in Verbindung mit Fig. 5 beschriebene Verfahren fortgesetzt oder wiederholt wird, wie in Fig. 6 dargestellt ist, liefert jede Stufe eine Hüllkurvenfunktion Ct₁(O* Ci₂(O usw., die eine bessere Näherung für die gewünschte ideale Hüllkurve darstellt. Die Anordnung nach Fig. 6 kann als iterativer FM-Generator mit verringerter Bandbreite angesehen werden. Das in Fig. 6 dargestellte iterative Verfahren konvergiert sehr rasch, und für die meisten Zwecke genügt eine Näherung erster oder zweiter Ordnung, um die unerwünschten Seitenbandkomponenten unter einen tragbaren Wert zu verkleinern.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer gemischt amplituden- und phasenwinkelmodulierten Trägerschwingung, enthaltend einen Phasenwinkelmodulator und einen Amplitudenmodulator, in denen die Trägerschwingung mit zwei gegeneinander um 90° in der Phase verschobenen, die zu übertragende Information enthaltenden Signalen so zuerst in der Phase und dann in der Amplitude moduliert wird, daß die Information durch Phasenwinkelschwankungen eines verbleibenden Seitenbandes der Trägerschwingung übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Logarithmus des dem Amplitudenmodulator zugeführten Modulationssignals um 90° in der Phase gegenüber der durch den Amplitudenmodulator zu modulierenden, bereits phasenwinkelmodulierten Trägerschwingung verschoben ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine vor den Modulationssignaleingang des Amplitudenmodulators geschaltete Exponentialstufe.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Modulationssignaleingang des Amplitudenmodulators (9) ein mit einem Filter (17) in Reihe geschalteter Hüllkurvendetektor (18) geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Phasenumkehrstufe (6), die durch einen Schalter (7) wahlweise vor den Eingang der Exponentialstufe (8) schaltbar ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 zur Erzeugung einer gemischt amplituden- und frequenzmodulierten Trägerschwingung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß den genannten Schaltungsanordnungen ein Integrationsnetzwerk vor Vorverzerrung vorgeschaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverzerrung in

einer angezapften Verzögerungsleitung erfolgt, die gleichzeitig als Phasenspalter zur Erzeugung der beiden um 90° gegeneinander in der Phase verschobenen Signale dient.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang des Hüllkurvendetektors und den Eingang des Amplitudenmodulators der Reihe nach ein

zusätzlicher Amplitudenmodulator, ein Filter und ein Hüllkurvendetektor geschaltet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: »Radiotechnika« (Moskau), März 1955, S. 72 bis

77; Mai 1957, S. 42 bis 47;
Kurzauszüge davon: »Technisches Zentralblatt«

(Elektrotechnik), 1956, S. 821, und 1958, S. 652.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen