DE1275637B - Vielkanal-Modulations-Signaluebertragungssystem - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H 04 j

Deutsche Kl.: 21 a4 - 49

Nummer: 1275 637

Aktenzeichen: P 12 75 637.5-35 (N 29600)

Anmeldetag: 27. September 1961

Auslegetag: 22. August 1968

Die Erfindung betrifft ein Modulations-Signalübertragungssystem. Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Vielkanalübertragung mit frequenzmäßig aufgeteilten Kanälen. Zur Nachrichtenübertragung kann insbesondere die Pulscodemodulation benutzt werden. Dabei kann aus der Mehrfachfrequenztechnik und der Zeitmultiplextechnik ein gemischtes Verfahren herausgebildet werden.

Es ist bereits für Signalübertragungssysteme bekannt, die Trägerfrequenz innerhalb eines Frequenzbandes zu ändern, um Fading-Erscheinungen auszuschalten. Weiterhin ist es bekannt, das Rauschfrequenzband eines Rauschgenerators mit der zu übertragenden Nachricht zu modulieren.

Bei bekannten Mehrfachfrequenzsystemen ist für jeden Kanal ein frequenzkonstanter Oszillator erforderlich. Dies bringt einen hohen Aufwand mit sich.

Aufgabe der Erfindung ist die Verringerung der Anzahl der Sendemodulatoren. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Die Erfindung benötigt damit nur einen einzigen Rauschgenerator an Stelle einer Anzahl hochstabilisierter Oszillatoren für eine Vielzahl von Frequenzkanälen. Der Rauschgenerator hat gegenüber einem hochstabilisierten Oszillator einen vergleichsweise einfachen Aufbau, was sich hinsichtlich des Preises und der Lebensdauer günstig auswirkt. Die Frage der Frequenzstabilität spielt für den Rauschgenerator nur eine untergeordnete Rolle, so daß sich die Frequenzstabilität des Übertragungssystems nur nach der Frequenzstabilität der Sender- und Empfängerfilter richtet. Eine Amplitudenstabilität des Rauschgenerators läßt sich vergleichsweise leicht erzielen. Dadurch können häufig auch Verstärkerstufen eingespart werden.

In den bisher üblichen Impulscodeübertragungssystemen ist eine genaue Stabilisation der Filter erforderlich. Während in dem Übertragungssystem gemäß der Erfindung nur ein einziger Rauschgenerator verwendet wird, ist die Frequenzstabilität des vorliegenden Systems einzig und allein von der relativen Frequenzstabilität der Filter im Verhältnis zu ihren einzelnen Elementen abhängig. Sogar, wenn die Mittenfrequenz der Filter auf der Senderseite oder auf der Empfangsseite oder beide sich um einen bestimmten Betrag ändern, ist eine Übertragung von Informationen bei dem erfindungsgemäßen Übertragungssystem trotzdem unter stabilisierten Bedingungen möglich. Wenn also alle Filter aus dem gleichen Material bestehen und infolgedessen alle den gleichen Frequenzgang aufweisen, kann ein sehr stabiles Übertragungssystem so lange gewährleistet sein, als der Ausgangspegel des Rauschgenerators konstant bleibt.

Vielkanal-Modulations-Signalübertragungssystem

Anmelder:

Nippon Electric Company Limited,

Minato-ku, Tokio (Japan)

Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Bunke, Patentanwalt,

7000 Stuttgart, Schloßstr. 73 B

Als Erfinder benannt:

Hitoshi Watanabe, Minato-ku, Tokio (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 28. September 1960 (39 961)

Da bei der Erfindung weißes Rauschen verwendet wird, kann die Signalleistung des Ubertragungssystems auf der Senderseite nur statistisch definiert werden. Die augenblickliche Wellenform ist dabei ohne Bedeutung. Diese Signalleistung wird in der Arbeit von

«5 C. E. Shannon, erschienen im Bell System Technical Journal, Bd. 27, S. 379 bis 429 und S, 623 bis 656, als Entropiekraft bezeichnet. Die übertragbare Informationsmenge pro Sendeleistungseinheit erreicht nahezu das theoretisch mögliche Maximum.

Das beschriebene Übertragungssystem kann in dem Frequenzbereich von üblichen Trägerfrequenzen bis hinauf zu Lichtfrequenzen verwendet werden. Im Bereich der Trägerfrequenzen verwendet man für den herkömmlichen Trägerstrom Impulse. Insofern ist die Anordnung sehr ökonomisch und weist technische Vorteile auf. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung bei den höher liegenden Frequenzbereichen kann dann voll ermessen werden, wenn man bedenkt, welche Schwierigkeiten sich bei der Schwingungserzeugung von Millimeterwellen einstellen.

Zunächst soll an Hand der F i g. 1 und 2 die prinzipielle Wirkungsweise der bisher bekannten PCM-Übertragungssysteme erläutert werden.

Der Sender 10 besteht aus den auf die jeweilig auszusendende Kanalfrequenz abgestimmten Oszillatoren 1, 2 ... n, deren Ausgangsleistung jeweils den Schaltkreisen Sl, S 2 ... Sn zugeführt wird. Dort wird diese im Rhythmus der Impulszüge, die den jeweiligen Nachrichteninhalt des Kanals darstellen und über die Anschlußstufen TSl, TS2 ... TSn anliegen, zu den zugehörigen Senderfiltern FIL Sl, FIL Sl bis FIL Sn mit den Mittenfrequenzen fl,f2...fn hin-

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durchlassen und auf den gemeinsamen Ubertragungs- Wahrscheinlichkeit besteht, während der schraffiert weg 20 gegeben. Die Frequenzverteilung der verschie- gezeichnete Teil Pegel bedeutet, für deren Vorhandenen Kanäle CHI, CHl ... CHn ist in F i g. 2 an- densein eine große Wahrscheinlichkeit besteht. Das gegeben, wo auf der Abszisse die Frequenz / und auf Frequenzspektrum am Ausgang des Generators JV, der Ordinate die Intensität P angegeben ist. Über die 5 das in der F i g. 5 des Punktes α dargestellt ist, ist im auf die jeweiligen Kanalfrequenzen/1,/2 .. .fn ab- wesentlichen flach, zumindest über dem benötigten gestimmten Bandpaßfilter FIL R1, FIL Rl... FIL Frequenzbereich.

Rn gelangen im Empfänger 30 die zugehörigen Im- Die vom Eingang her eintreffenden Impulszüge,

pulszüge auf die betreffenden Demodulatorkreise D1, insbesondere die Signalleistung an den Punkten b 1, Dl.. .Dn, wo sie von ihren Trägerfrequenzen be- ίο 62... δη gemäß der F i g. 3 besteht aus Impulsen, freit werden und als reine Impulse den einzelnen Ver- deren Positionen der Amplituden oder beides gemäß braucherkreisen TRI₁ TR 2 ... TR η zugeführt wer- der zu übertragenden Nachricht moduliert sind und den. die somit den aus den Einzelimpulsen 43 bestehenden

Die grundsätzliche Wirkungsweise der Erfindung Impulszügen 44 entsprechen. Am Ausgang von durch soll an Hand der F i g. 3 und 5 erläutert werden. Der *5 diese Impulszüge 44 geschalteten Modulationsschalt-Sender 40 gemäß der F i g. 3 enthält einen Rausch- kreisen Sl, Sl... Sn erscheinen an den Punkten el, generator JV, der an Hand der F i g. 6 näher erläutert el.. .cn die Impulszüge 46 aus den Impulsen 45. werden soll. Dieser Rauschgenerator erzeugt weißes Die Pegel aller dieser Impulsed, c2 ... era sind anRauschen gleicher Amplitude über einen großen Fre- nähernd gleich, soweit für einen stabilisierten Rauschquenzbereich, insbesondere innerhalb des für den ao pegel des Generators JV gesorgt ist. Diese Pulscode-Sender 40 erforderlichen Frequenzbereiches. Signale von den Schaltkreisen gelangen auf die sog. Dieses Rauschband wird den für die entsprechen- Gaußschen Filter FILSl, FILSl und FILSn, die den Kanäle vorgesehenen Schaltkreisen S1, Sl.. .Sn an Hand der F i g. 8 näher erläutert werden sollen, zugeführt, andererseits werden die den Nachrichten- Die Verwendung von Gaußschen Filtern für jeden inhalt darstellenden und von den Anschlußstufen Γ5Ί, 25 Kanal ist deshalb vorteilhaft, weil mit ihnen eine TSl.. .TSn stammenden Impulszüge zugeführt. Ist Gaußsche Verteilung der passierenden Signale in beispielsweise der Schaltkreis Sl eingeschaltet, dann bezug zur Mittelfrequenz/1, die gleich der Betriebsgelangt für die Dauer eines eingeschalteten Impulses frequenz des betreffenden Kanals ist, gewährleistet an seinen Ausgang weißes Rauschen. Die die Nach- wird. Ein Filter mit der Charakteristik einer quadraricht darstellenden Impulszüge bestehen also im ein- 30 tischen Sinuskurve kann ebenso wie normale Bandzelnen aus Rauschen. Der Ausgangspegel des Rausch- paßfilter anderer Typen, die jeweils nur ein bestimmgenerators JV ist über das notwendige Frequenzband tes Frequenzband durchlassen und den Rest der Frehinweg vollkommen flach, so daß auch die einzelnen quenzen unterdrücken, verwendet werden. An den Impulse untereinander annähernd die gleiche Ampli- Ausgängen der Filter FIL Sl, FIL Sl. .. erhält man tude haben. 35 die Wellenformen 48 aus den Impulsen 47. Die VerInder F i g. 4 ist die Änderung des Signals in Ab- teilung dieser Wellenformen an den Punkten dl, hängigkeit von der Zeit an verschiedenen Punkten dl.. .an ist jeweils eine Gaußsche Verteilung symdes Senders 40, der Übertragungsleitung 20 und des metrisch zu den Mittenfrequenzen/1,/2 .. .fn, geEmpfängers 50 dargestellt, wobei die Ausgangs- maß der Darstellung in F i g. 5.
leistung auf der Ordinate und die Zeit auf der Ab- 40 Wie aus der F i g. 4 hervorgeht, bestehen diese szissenachse aufgetragen sind. auszusendenden PCM-Ausgangsfolgen 48 jeweils aus F i g. 5 zeigt das zu den jeweiligen Punkten gehö- Wellenzügen 47, die in Bezug zur Zeit aus Gaußsche rende Frequenzspektrum, wobei die Leistung auf der Verteilung aufweisen. Die Schaltkreise S1, 52 ... Ordinate und die Frequenz auf der Abszisse aufge- können auch zwischen jeweils zwei solchen Filtern tragen sind. Da die Änderung der Rauschleistung des 45 eingefügt sein. An Stelle von getrennten Schaltkreisen Generators JV, insbesondere die Leistung an dem und Filtern als gesonderte Bauelemente kann auch Punkt α gemäß der F i g. 3 sehr verschieden ist, kann ein Bandpaßfilter verwendet werden, das Mittel für nur der Durchschnitt der Rauschamplitude darge- intermittierende Unterdrückung des Ausgangsstellt werden. Die Darstellung am Punkt α in der geräusches in Abhängigkeit von ankommenden Im-Fig. 4 ist daher nicht ganz exakt. Da bei dieser 50 pulszügen enthält. Das PCM-Signal, das von dem Darstellung der Rauschpegel erne Gaußsche Vertei- Sender 40 gemäß der F i g. 3 herrührt und eine Überhing aufweist, die in bezug zum Nullpegel liniensym- tragungsleitung 20, wie sie beispielsweise bei den konmetrisch ist, d. h. zur Abszisse, ist die Wahrschein- ventionellen PCM-Systemen gemäß der Fig. 1 ver-Iichkeit für ein niedriges Geräusch (nahezu gleich wendet wird oder drahtlos übertragen wird, gelangt Null) sehr groß und für ein hohes Geräusch (der 55 auf den Empfänger 50. Da die Impulssignale auf der absolute Wert desselben sehr groß) praktisch gleich Übertragungsleitung, also an dem Punkt e gemäß der Null. Um daher einen ganz bestimmten Rauschpegel F i g. 3, eine Überlagerung von PCM-Signalen aller in der F i g. 4 am Punkt α darstellen zu können, ist Kanäle darstellen, können sie an dieser Stelle durch es notwendig, die Gaußsche Verteilung um die Ab- die Wellenform (e) gemäß der F i g. 5 dargestellt werszisse durch ausgezogene und dünne Linien in Rieh- 60 den. Die durch den Empfänger 50 gemäß der F i g. 3 tung zur Ordinate einzuzeichnen. Um jedoch den ge- empfangenen Signale gelangen zunächst auf Gaußsamten Ausgangspegel einschließlich des im wesent- sehe Bandpaßfilter FILR1, FIL Rl... FILRη. Es liehen Null betragenden Anteiles darzustellen, müssen können auch konventionelle Bandpaßfilter verwendet die Linien sowohl nach der oberen als auch nach der werden, mit denen die einzelnen Kanäle voneinander unteren Hälfte in bezug zur Abszisse ins Unendliche 65 getrennt werden, und zwar auch dann, wenn beim hineinragen. In der F i g. 4 bedeuten daher die am Sender Gaußsche Filter verwendet werden. An den Punkt α gestrichelten Linien 41 und 42 einen Aus- Ausgängen dieser Filter der F i g. 3 sind in den Punkgangspegel, für dessen Vorhandensein eine gewisse tengl, gl... gn die Signale in der Form (gl,

g2...gn) gemäß Fig. 4 als PCM-Signal51 vorhanden. Diese Signale werden durch die Demodulationskreise D1, D 2 ... D η gemäß der F i g. 3 demoduliert. Die Ausgangssignale an diesen Demodulationskreisen, d. h. in den Punkten hl, hl... hn sind Impulse 52, die in ihrer Gesamtheit den Impulszügen 44 (61, b2 ... bn) F i g. 4 entsprechen. In den Demodulatoren werden also die gleichen Impulszüge wie an den Sendereingängen hergestellt und den einzelnen Verbrauchern TRl, TR2 ... Trη zugeführt. Wenn die Erfindung für eine Datenübertragung Verwendung finden soll, genügt eine Demodulation der PCM-Signale 51.

F i g. 6 a zeigt die Schaltung des für die Erzeugung des weißen Rauschens erforderlichen Generators N, der ganz allgemein bei Trägerfrequenzen oder im Mikrowellenbereich anwendbar ist. Hierin wird eine an dem Lastwiderstand 64 liegende Spannung erzeugt, die in Serie mit dem positiven Pol der Spannungsquelle 63 und zwischen der Anode 61 und der Kathode 62 einer Rauschdiode 60 geschaltet wird. Diese Spannung wird an den Eingang eines Verstärkers 65 gegeben, der eine weitgehend konstante Verstärkung über den erforderlichen Frequenzbereich aufweist. Der bereits obenerwähnte Rauschpegel kann dem Ausgang 66 entnommen werden. Die Kapazität 67 soll die Spannungsquelle 63 hochfrequenzmäßig überbrücken. Die Rauschdiode kann in bekannter Weise, beispielsweise gemäß der im »Journal of Applied Physics« erschienenen Arbeit, Bd. 18, S. 110, Januar 1949, von J. D. Cobine und C. J. Gallagher oder Harwick Johnson, März 1947, ausgeführt sein.

Fig. 6b zeigt einen Axialschnitt des Rauschgenerators N für Mikrowellen und Millimeterwellen. Eine Entladungsröhre 70 ist in üblicher Weise in einen Wellenleiter 71 eingefügt. Die notwendige Spannungsversorgung für diese Röhre ist die Quelle 72. Ein Beispiel eines derartigen Rauschgenerators ist in der Arbeit von W. W. Mumf ort in der Zeitschrift »Bell System Technical Journal«, Bd. 28, S. 608, beschrieben. Die Grenzfrequenz des Wellenleiters liegt daher höher als die Höchstfrequenz des erforderlichen Frequenzbandes. An dem einen Ende des Wellenleiters 71 ist ein impedanzanpassendes Bauelement 74 vorgesehen, um die maximal mögliche Rauschleistung in Richtung des Pfeiles 75 zu übertragen. Für den Fall, daß das Frequenzband des Übertragungssystems im Lichtwellenbereich liegt, verwendet man als Rauschgenerator eine weißglühende Lampe. Einen Rauschgenerator mit hoher Leistung kann man durch hochspannungserzeugte Plasmaschwingungen erzielen.

Fig. 7a zeigt einen Schaltkreis80 (51, Fig. 3). Dieser Schaltkreis besteht aus einer aus Dioden 84 aufgebauten Brückenschaltung 85, die zwischen dem Eingang 81 und dem Ausgang 82 in einer Rauschspannungsleitung 83 eingefügt ist. Jeder Arm der Brücke ist so angeordnet, daß er unter dem Einfluß von am Eingang 86 eintreffenden Impulsen 43 der Signalwellenform 44 seine Impedanz ändert. Das auf den Schaltkreis 80 ständig gelangende Rauschen wird also im Rhythmus der Impulse 44 auf seinen Ausgang 82 hindurchgelassen, so daß die in der F i g. 3 mit C1 bezeichneten Impulse entstehen.

Fig. 7b stellt eine perspektivische Ansicht eines Schaltkreises 90 für Mikro- und Millimeterwellen dar, der als Modulationsschaltkreis 51, S 2 ... nach F i g. 3 für je einen Kanal dient. Die Anordnung besteht aus einem magischen Hohlleiter T und zwei Kapazitätsdioden 92 und 93, die beide an den H-Verzweigungsarmen des magischen T's an geeigneten Punkten und im bestimmten Abstand zu dem Verzweigungspunkt angeordnet sind. Durch Variation der an den Punkten 95 und 96 angelegten Vorspannungen kann die Impedanz des Wellenleiters verändert werden. Wenn ein Impulszug an diese Anschlüsse

ίο gelangt, so ändern sich die Kapazitäten der Dioden 92 und 93 im Rhythmus der eintreffenden Impulse. Aus dieser Veränderung der Kapazitäten resultiert eine Änderung der Phasenbeziehung des magnetischen Feldes in dem Hohlleiter, so daß, wie bereits bekannt, das magische T unter dem Einfluß eines Impulses das von dem Generator iV über den H-Verzweigungsarm eingeführte Rauschen auf den E-Verzweigungsarm des magischen T's passieren läßt. Wenn jedoch kein Impuls eintrifft, also keine Vorspannung

ao auf die Diode gelangt, .tritt an dem Ausgang des E-Verzweigungsarmes des magischen T's keine Ausgangsleistung auf. Auf diese Weise wird das mit Impulsen codierte Signal 46, dessen Rhythmus den zu übertragenden Impulsen 43 entspricht, am Ausgang des Armes 94 erhalten.

Fig. 8a zeigt das Ersatzschaltbild des als Trennfilter FIL S bzw. FIL R verwendeten Filters 100. Das Filter 100 besteht aus einer Anzahl von parallel geschalteten Resonanzkreisen 109,110,111 und 112, die jeweils aus den Kondensatoren 101,102,103 und 104 mit den Kapazitäten Cl, C3, C5 und Cl und den »Spulen« 105,106,107,108 mit den Induktivitäten L1,L3,L5 und Ll aufgebaut sind. Diese Parallelresonanzkreise sind durch die Serienresonanzkreise 127,128,129 miteinander verbunden, wobei letztere aus den Spulen 121,122,123 mit den Induktivitäten L 2, L 4 und L 6 und den Kondensatoren 124, 125 und 126 mit den Kapazitäten C 2, C 4 und C 6 bestehen. Die Bemessung für die einzelnen Induktivitäten bzw. Kapazitäten ist in einer Arbeit von Louis Weinberger in »Journal of Franklin Institute«, August 57, S. 127, angegeben.

F i g. 8 b ist eine perspektivische Ansicht eines derartigen Gaußschen Bandfilters für Mikro- oder Millimeterweilen. Die Platten 145,146,147,148 aus leitendem Material weisen Öffnungen 141,142,143 und 144 auf. Sie sind voneinander im Abstand von λ g/4, wobei λg die Betriebswellenlänge des Hohlleiters 140 ist, dessen Grenzfrequenz im übrigen höher ist als die höchste übertragene Frequenz. Die Größe der Öffnungen 141,142,143 und 144 kann errechnet werden.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Modulations-Signalübertragungssystem, bei dem das Rauschfrequenzband eines Rauschgenerators mit der Nachricht moduliert wird, dadurchgekennzeichnet, daß zur Vielkanalübertragung das Rauschfrequenzband durch Kanalfilter (FILSl, FIL 52 ... FILSn) auf die Kanäle aufgeteilt wird und daß jeder Kanal einen Modulationsschaltkreis (51, 52 ... Sn) enthält.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 436 307;
   USA.-Patentschrift Nr. 2 624 836.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen