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Elektrisches Nachrichtenübertragungssystem mit Winkelmodulation Die
Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Nachrichtenübertragungssystem mit Winkelmodulation,
insbesondere Richtfunksystem mit einer beliebige,p Anzahl von Zwischenstellen. Unter
dem Begriff Winkelmodulation werden alle Modulationsarten zusammengefaßt, bei denen
Frequenz und/oder Phase einer Trägerschwingung im Takt einer lnformation moduliert
werden. Bei Nachrichtenübertragungssystemen dieser Art wird bei den sendeseitigen
Modulationseinrichtungen beider Ubertragungseinrichtungen oftmals von frei schwingenden
Oszillatoren Gebrauch gemacht, deren Schwingungsfrequenz von dem zu übertragenden
Signal, in der Regel ein breitbandiges Frequenzmultiplexsignal, moduliert wird.
Sofern die Modulation in einer Zwischenfrequenzebene stattfindet und das Signal
über eine Funkstrecke in der Radiofrequenzlage übertragen werden soll, ist hierzu
ein entsprechender Umsetzer erforderlich. Die als frei schwingende Oszillatoren
ausgeführten Frequenzmodulatoren können beispielsweise mittels Varaktoren in der
Frequenz moduliert werden.
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Die mittlere Frequenz eines solchen Oszillators ist beispielsweise
von der Temperatur, der Betriebsspannung, Alterungserscheinungen u. dgl. m. abhängig
und hat meist nicht die für eine einwandfreie UbertragungerforderlicheGenauigkeit.AusdiesemGrunde
ist es üblich, die Oszillator-Mittenfrequenz mit Hilfe einer automatischen Frequenzregeleinrichtung
für die zu fordernde Genauigkeit festzulegen. Die Frequenzregeleinrichtung kann
einen Diskriminator vorsehen, dessen Nachstimmspannung die mittlere Frequenz des
Modulators auf die die Oszillator-Mittensollfrequenz darstellende Nullfrequenz des
Diskriminators nachregelt. Da der Frequenzfehler des Modulators und die Frequenzfehler
der eventuell vorhandenen Oszillatoren zur Frequenzumsetzung in die Radiofrequenzlage
(RF-Lage) beim Sender und in die Zwischenfrequenziage (ZF-Lage) beim Empfänger sich
in der Zwischenfrequenzebene des fernen Emprängers addieren können, müssen die an
die Frequenzgenauigkeit der Oszillatoren zu stellenden Anforderungen relativ hoch
sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Nachrichtenübertragungssystem
der einleitend beschriebenen Art eine Frequenzregeleinrichtung anzugeben, die es
bei geringem technischem Aufwand ermöglicht, den in der . Zwischenfrequenzebene
des fernen Empfängers auftretenden geschilderten Frequenzfehler in zulässigen Grenzen
zu halten.
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Ausgehend von einem elektrischen Nachrichtenübertragungssystein mit
Winkehnodulation, insbesondere Richtfunksystem mit einer beliebigen Anzahl von Zwischenstellen,
bei dem die sendeseitigen Modulationseinrichtungen beider Ubertragungsrichtungen
von einem modulierbaren Oszillator mit automatischer Frequenzregeleinrichtung Gebrauch
machen, die hierbei aus einem Diskriminator besteht, der aus der seinem Eingang
zugeführten Schwingungsenergie eine an seinem Ausgang auftretende frequenzabhängige
Regelgröße ableitet, die über eine Steuereinrichtung auf die Oszillator-Mittenfrequenz
im gewünschten Regelsinne einwirkl, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß die automatische Frequenzregeleinrichtung den sendeseitigen Modulatoren
beider Ubertragungsrichtungen dadurch gemeinsam ist, daß sich die Regelschleife
für die Regelung eines Modulators jeweils über den Diskriminator des fernen Empfängers,
den Modulator des fernen Senders und den Diskriminator des nahen Empfängers erstreckt
und sich dabei die von den Diskriminatoren ausgangsseitig gelieferten Regelgrößen
in Abhängigkeit der Frequenz im Sinne der gewünschten Regelung ändern.
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Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß eine
modulatoreigene Frequenzregeleinrichtung entfallen kann, wenn der Diskriminator
des fernen Empfängers zur Frequenznachregelung des nahen sendeseitigen Modulators
gemäß der Erfindung herangezogen wird. Neben dem Fortfall der für die modulatoreigene
Frequenzregeleinrichtung erforderlichen besonderen Diskriminatoren hat der Erfindungsgegenstand
auch den Vorteil, daß der ursprüngliche Frequenzfehler des nahen Modulators um das
Produkt der Regelverstärkungen in beiden öbertragungsrichtungen verkleinert wird.
Da beim Erfindungsgegenstand die Frequenzregeleinrichtung nicht nur in der Zwischenfrequenzlage,
sondern auch in der Frequenzlage, in der das Signal übertragen wird, wirksam ist,
wird hierdurch auch eine höhere
Frequenzgenauigkeit in der Frequenzlage
der Ubertragung, bei Richtfunksystemen in der RF-Lage, erzielt.
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Der Erfindungsgegenstand läßt sich in vorteilhafter Weise auch bei
Nachrichtenübertragungssysternen mit Zwischenfrequenzdurchschaltung auf den Zwischenstellen
dadurch anwenden, daß die Regeischleife für die Regelung des sendeseitigen Modulators
einer Endstelle über sämtliche Zwischenstellen in der einen Ubertragungsrichtung,
den empfangsseitigen Diskriminator der anderen Endstelle, deren sendeseitigen Modulator,
sämtliche Zwischenstellen in der anderen Ubertragungsrichtung und den empfangsseitigen
Diskriminator der einen Endstelle erstreckt.
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Besonders vorteilhaft gestaltet sich die Anwendung des Erfindungsgegenstandes
bei einem Nachrichtenübertragungssystem, insbesondere Richtfunksystem, mit Basisbanddurchschaltung
auf den Zwischenstel len. Hierbei ist es zweckmäßig, die sendeseitigen Modulatoren,
die einem durch eine Endstelle und der ihr benachbarten Zwischenstelle oder durch
zwei einander benachbarte Zwischenstellen gebildeten Strekkenabschnitt zugeordnet
sind, jeweils mit einer sich mit ihrer Regelschleife über den betreffenden Ubertragungsabschnitt
erstreckenden, gemeinsamen Regeleinrichtung zu versehen.
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Sinnvoll erhalten die in einer Regelschleife wirksamen Modulatoren
und Diskriminatoren jeweils gleichen Aufbau und wenigstens annähernd gleiche elektrische
Eigenschaften.
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Um eine möglichst große Wirksamkeit der Regeleinrichtung zu erhalten,
ist es zweckmäßig, die Verstärkung der Regelschleife möglichst groß zu wählen.
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An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
und einer mathematischen Abhandlung soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert
werden.
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Die F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Richtfunksystem
mit den Modulations-Demodulationseinrichtungen auf den beiden Endstellen. im folgenden
kurz Modern 1 und Modern 2 genannt. bestehend jeweils aus einem sendeseitigen
Modulator All bzw. M2 und einem empfängsseitigen Diskriminator DI bzw.
D2. Die sende- und empLangsseitigen Einrichtungen zur Umsetzung des zu übertragenden
Signals in die RF-Lage bzw. die Umsetzung des ankommenden RF-Signals in eine Zwischenfrequenzlage
sind in der F i g. 1 lediglich durch zwei zueinander parallele unterbrochene
Linien angedeutet. Die Modulatoren All und 312 bestehen jeweils aus
einem frei schwingenden Oszillator. dessen Frequenz beispielsweise über eine Varaktordiode
vorn zu übertragenden Signal. dem Basisfrequenzband BF. moduliert wird. Für die
sich über die Funkstrecke schließende Regeischleife der Regeleinrichtung des Systems
nach der Erfindung sind die Modulatoren M 1 und M 2 mit einem Regelspannungseingang
re und die Diskriminatoren DI und D2
mit einem Regelspannungsausgangra ausgerüstet.
Die Regelschleife wird dadurch geschlossen. daß die Regelspannungsausgänge ra der
Diskriminatoren mit den Regelspannungseingängen re der Modulatoren des gleichen
Modems verbunden werden. Zum Zwecke der elektrischen Stabilität der -Regelschleife
kann beispielsweise der Diskriminatorausgang ra eines der beiden Diskriminatoren
DI oder D2 hinsichtlich des ihm zugeordneten Regelspannungseingangs re der
Modulatoren All oder M2 umgepolt werden. Dadurch wird nämlich eine entgegengesetzte
frequenzabhängige Änderung der Regelgrößen an den Regelspannungsausgängen ra, wie
sie filr ein Arbeiten der Regeleinrichtung im gewünschten Sinne erforderlich ist,
herbeigerührt.
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Wie sich an Hand des Schemas nach der F i g. 1
ohne weiteres
feststellen läßt, arbeitet die erfindungsgemäße Frequenzregeleinrichtung unter anderem
im Sinne einer Stabilisierung der Mittenfrequenz der Oszillatoren der Modulatoren
All und M2, die hierbei mit der Nullfrequenz der Diskriminatoren DI und
D2 übereinstimmen. Unter der Annahme, daß der Modulator All eine positive
Frequenzabweichung von seiner Soll-Mittenfrequenz aufweist, tritt am Regelspannungsausgangra
des Diskriminators D2 des fernen Empfängers beispielsweise eine positive
Regelspannung auf, die über den Regelspannungseingang re des Modulators A12 ebenfalls
eine positive Frequenzabweichung hervorruft. Wegen der hier angenommenen Umpolung
des Regelspannungsausgangs ra des Diskriminators von Modem 1
erzeugt die vom
Modulator All über den Diskriminator D2 von Modern 2 an den Modulator M2
des gleichen Modems weitergegebene positive Frequenzabweichung eine negative Regelspannung
am Regelspannungsausgang des Diskriminators DI, die den Oszillator des Modulators
All im gewünschten Sinne in Richtung auf die Soll-Mittenfrequenz verstimmt.
Das gleiche Ergebnis wird erhalten. wenn der Modulator M2 von Modern 2 ursächlich
für die Frequenzabweichung in der Regelschleife angesehen wird.
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Zur besseren Abschätzung des Einflusses der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung
auf die insbesondere bei Richtfunksystemen zwischen den einander zugeordneten Modemgeräten
noch vorhandenen Umsetzer soll in Verbindung mit dem in der F i g. 2 dargestellten
Schema rtir ein solches System nunmehr eine mathematische Betrachtung durchgeführt
werden.
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Die F i g. 2 zeigt zwei Endstellen eines Richtfunksystem.s.
die mit einer Frequenzregeleinrichtung nach der Erfindung ausgerüstet sind. Die
Endstelle EI
besteht sendeseitig aus einem Modulator All mit der Frequenz
fnil. an den sich ausgangsseitig ein Umsetzer WI mit einem Umsetzgenerator Gl und
der UmsetzerfrequenzfT1 anschließt. Das zu übertragende Signal hat in der RF-Lage
die Frequenz.JA und wird auf der Endstelle E2 empfangen. Das empfangene Signal
wird im Umsetzer 1V2 mit dem Unisetzgenerator G2 und der Frequenz
j72 in die Zwischenfrequenzlage -f*::2 umgesetzt und anschließend im Diskriminator
D2 demoduliert. Die Sendeseite der Endstelle E2 für die Gegenrichtung
ist entsprechend der Sendeseite der Endstelle EI
ausgebildet. Sie besteht
aus dem Modulator A12 mit der Frequenz ./'jiz2 und dem sich daran anschließenden
Umsetzer WV mit dem Umsetzgenerator G2' und der Frequenz j72. Das
Signal hat hier in der RF-Lage die Frequenz _f»2 und wird auf der Endstelle
EI mit Hilfe des Umsetzers WI' in Verbindung mit dem Umsetzgenerator Gl'
und der Frequenz 171 in die Zwischenfrequenzlagef::1 umgesetzt und anschließend
im Diskriminator DI demoduliert. Aus Gründen der Einfachheit ist beim Schema nach
der F i g. 2 angenommen. daß die Umsetzgeneratoren GI und Gl' auf
der Endstelle EI einerseits und die Umsetzgeneratoren G2 und
G2'
auf der Endstelle E2 andererseits die gleiche Frequenz aufweisen. Die Regelspannung
am Regelspannungsausgang des Diskriminators DI bzw. am Regelspannungseingang des
Modulators V 1 der Endstelle EI ist mit Ull und die entsprechende
Regelspannung am Regelspannungsausgang des Diskriminators D2 bzw. am Regelspannungseingang
des Modulators M2 der Endstelle E2 mit U2 bezeichnet.
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Für den Modulator MI der Endstelle EI gilt fni 1
= U 1 - K 1 + fino 1. (1) Hierin bedeutet
finoll die Frequenz des Modulators bei der Regelspannung 0 Volt und K
1 die Regelsteilheit des Modulators. beispielsweise in MHz V.
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Die Sendefrequenz der Endstelle EI ergibt sich zu .f
1 = f7 1 + fin 1 = .17 1 + U 1
K 1 +./'j?io 1. (2) Auf der Empfangsseite der Endstelle
EI ergibt sich für die Regelspannung am Regelspannungsausgang des
Empfangsdiskriminators die Beziehung U 1 = (f Z 1 -
j*D 1) S 1. (3)
Hierin bedeutet SI die Steilheit des Diskrinlinators
Dl. beispielsweise in V#MI-1z.
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Für die Sende- und die Ernpfangsseite der Endstelle E2 gilt
entsprechend fin 2 = L'2 K 2 + f njo 2. (4) Hierin bedeutet
l'iizo2 die Frequenz des Modulators %12 bei der Regelspannung OVolt und K2 die Regelsteilheit
dieses Modulators.
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Die Sendefrequenz der Endstelle E2 ergibt sich zu f2
= fT2 - fin2 = fT2 - U2 K2 - fino2.
(5)
Die Regelspannung am Regelspannungsausgang des Empfangsdiskriminators
D2 hat die Beziehung L'2 = (#fZ2-.1'D2)S2. (6)
Unter der Berücksichtigung.
daß das Produkt SIKI die Regelverstärkung v11 der Endstelle EI
und
das Produkt S2K2 die Regelverstärkung r2 der Endstelle EU darstellt. ergibt sich
für die Sendefrequenz der Endstelle EI durch Einsetzen der Gleichung
(3) in (2) die Beziehung f 1 T 1 17 1 -
f D 1) t- 1 + l'nio 1. (7)
und für die Sendefrequenz
der Endstelle E2 durch Einsetzen der GleichunL, (6) in (5) die Beziehung
12 = .1"T2-(f'Z2- 1-D2)t-2- fi?io2. (8)
Da außerdem die Beziehuneen
f 1 - 172 = 1 Z2 (9)
und f-T 1 - 12 =
17 1 (10) gelten. lassen sich die Gleichungen (7) und (8) in
die Gleichungen 1 Z2 = fl - 172 =
17 1 - -f-T2 + f ZI - I'D1) 1-1
+ f*Jllol (7a) 1 Z 1 = 17 1
- 12 = .17 1 - f7 2 + fZ 2 - I'D 2) r 2 -t-
fino 2 (8 a) umformen.
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Unter der Annahme. daß die von der Frequenzregeleinrichtung auszuregelnde
Frequenzabweichung vom Modulator MI der Endstelle EI herrührt, ist die Beziehung
für die Frequenzablage 1./*Z2 in der ZF-Ebene der Endstelle E2 zu bestimmen.
Die Sollzwischenfrequenz auf der Endstelle E2 sei fD. In diesem Falle ergibt
sich für die Zwischenfrequenz auf der Endstelle E2
.f'Z 2 =
fD + 1.f»Z 2. (11)
Zwischen den Sollfrequenzen fTol und j'To2
der Umsetzgeneratoren G 1, G l' und G 2,
G 2' und der Sollfrequenz f'm der Modulatoren MI und M2 besteht ferner
folgender Zusammenhang: f* To 1 - fTo 2 = j*D -fin (12)
Außerdem lassen sich die verschiedenen Frequenzablagen wie folgt festlegen: .f'To
1 + 1.f'T 1 = .171 (13a) -f'To 2 + 1./72
= fT 2 (13b) fD + 1.1*D 1 = fD 1 (13 c)
+ 1.f*D2 = f-D2 (13d)
1,111 + 1.f*tli 1
= / Ino 1 (13e) fin + 1.fin 2 = f"i?zo2 (130
fD
+ 1.17 1 = fZ 1 (13g)
Mit Hilfe der Gleichungen
(12) und (13a) bis (13g) und unter Berücksichtigung, daß die Differenz aus den Frequenzablagen
.1*Tol und f*To2 durch den Ausdruck j712 gegeben ist, läßt sich für die Frequenzablage
der Zwischenfrequenz auf der Endstelle 2 die Beziehung
angeben. Wird das Produkt aus den Regelverstärkungen vl und v2 der Endstellen
EI und E2 #> 1 gemacht, dann läßt sich für diese Frequenzablage
näherungsweise angeben
Wird davon ausgegangen. daß die Frequenzregeleinrichtung die Frequenzablage des
Modulators M2 der Endstelle E2 auszuregeln hat, so ergibt sich analog für
die Frequenzablage der empfangsseitigen Zwischenfrequenz auf der Endstelle
EI die Beziehung
Aus den Gleichungen (15) und (16) läßt sich erkennen, daß für die
Frequetizablage in der Zwischenfrequenzebene
die Nullpunktablage
des nahen Diskriminators voll eingeht. Die Frequenzablagen des nahen Modulators,
die Frequenzen der Umsetzgeneratoren und die Frequenzablage des fernen Diskriminators
werden dagegen um den Faktor
verkleinert. Die Frequenzablage des fernen Modulators wird sogar um den Faktor
verkleinert. Werden die Regelverstärkungen til - v2 gegebenenfalls durch
zusätzliche Verstärker besonders groß gemacht, so gilt in erster Näherung für die
Frequenzablage der Zwischenfrequenz auf der Endstelle El
.1171 --
IJ*DI (17)
und für die Frequenzablage in der Zwischenfrequenzebene auf der
Endstelle E2
1.f'Z2 --. 1.f'D2. (18)
Für die Frequenzablage
in der RF-Lage gelten die Beziehungen 1.f 1 = 1./72 + 1.f'Z2
(19)
und 1.f 2 = - 1.f T 1 + 1.17
1. (20) Die vorstehende mathematische Betrachtung läßt noch nicht
erkennen, ob für die Regeleinrichtung die Stabilitätsbedingung erfüllt ist. Um auch
hierüber eine mathematische Aussage zu erhalten, ist es zweckmäßig, die Schleife
in der Endstelle El aufzutrennen. Dabei soll die Spannung am Regelspannurigseingang
des Modulators M 1 eine Wechselspannung it 1 sein, während die Spannung,
die der nahe Diskriminator D 1 an seinem Regelspannungsausgang liefert,
it l'
heißen soll. In diesem Falle ergibt sich- für die Regelspannung am Diskriminatorausgang
u1' = (.lfT12+.-lfm2-.J.f»Dl)Sl +(.lfT12+ lfml-.lfD2)Sl - v2+til
- vl - v2.
(21) Soll die Regeleinrichtung stabil
arbeiten, dann muß zwischen dem Wechselspannungsanteil von til' und til ein Phasenunterschied
von 180' bestehen, wenn die Frequenz dieser Wechselspannung gegen
0 Hz abnimmt. Da die Regelverstärkungen v 1 und v 2 der Endstellen
El und E2 bei genügend tiefen Frequenzen als reell angesehen werden
können, ergibt sich somit für die Stabilitätsbedingung, daß die Regelverstärkungen
vl und v2 entgegengesetzte Vorzeichen haber, müssen. Dies kann, wie bereits zum
Ausdruck gebracht worden ist, durch Umpolen eines der beiden Regelspannungsausgänge
der Diskriminatoren Dl und D2 herbeigeflührt werden.