DE1295636B

DE1295636B - Elektrische Schaltung zum Markieren der Nulldurchgaenge von Wechselspannungen bei der Pulsmodulation

Info

Publication number: DE1295636B
Application number: DEW31382A
Authority: DE
Inventors: Chasek Norman Emil
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1960-12-30
Filing date: 1961-12-29
Publication date: 1969-05-22
Also published as: NL272830A; GB1011224A; BE611923A; US3187273A

Description

erzielbar ist, wenn eine Vergrößerung der Bandbreite 35 plitudenmodulierten Wellenzuges in ein PPM-Signal

in Kauf genommen wird, und zwar ohne eine nennenswerte Verschlechterung des Grenzwertes.

Die Frequenzmodulation (FM) mit Frequenzrückkopplung scheint als Übertragungssystem in Frage zu kommen, da sie die obengenannten Förderungen im Grunde erfüllt. Den Vorteilen eines solchen Systems steht jedoch der Umstand gegenüber, daß äußerst breitbandige Empfängerschaltungen erforderlich sind, wenn die Phasenverschiebung im Rückkopplungsweg niedriger als 180° bei Verstärkung Eins gehalten werden soll. Da die Phasenverschiebung in einer solchen Rückkopplungsschleife zu der Bandbreite der zu übertragenden Nachrichtensignale direkt proportional ist, ergeben sich in der Praxis Schwierigkeiten beim Entwurf von Schaltungen für Signale großer Bandbreite, z. B. für Fernsehzwecke.

Ein Puls-Phasen-Modulationssystem, bei dem eine Abtastung eines frequenzmodulierten Trägers angedurch periodische Abtastung der Amplitude des Wellenzuges verwendet. Da die Bandbreite des Modulationssignals in solchen Anwendungsfällen häufig von der Größenordnung von nur 3 bis 15 kHz reicht, z.B. für die Sprachübertragung, ist es verhältnismäßig leicht, die Einhüllende mit einer Wiederholungsgeschwindigkeit vom doppelten Wert der höchsten Modulationsfrequenz abzutasten und dann durch Verwendung üblicher Pulsformungs- und der 45 Zeitverzögerungsschaltungen in eine PPM umzuwandeln. Sperroszillatoren, Sägezahngeneratoren oder Schmitt-Trigger-Schaltungen werden bisher allgemein bei solchen Pulsformungsschaltungen verwendet.

Das bisher allgemein verwendete Verfahren zum direkten Erzeugen von Rechteckwellen aus Schwingungen hoher Frequenz von Sinusform besteht darin, daß man die Sinuswelle in eine Rechteckwelle umwandelt, indem man abwechselnd die Sinuswelle in der Amplitude beschneidet, verstärkt, beschneidet

wendet wird, scheint die obengenannten Forderungen ₅₅ usf., bis man Impulse von gewünschter Breite, Anzu erfüllen. Ein solches System ist mit den derzeit stiegs- und Abfallzeiten erzielt. Eine solche Anvorhandenen Bodenstationen mit FM-System verträglich.

Bekanntlich ist die Puls-Phasen-Modulation eine besondere Form der Puls-Zeit-Modulation, bei welcher der Wert jeder augenblicklichen Abtastung der modulierenden Welle veranlaßt wird, die zeitliche Lage eines Impulses in bezug auf die Zeit seines Auftretens im nicht modulierten Zustand, d. h.

seine Phasenlage, zu verändern. Der Grundsatz, der 65 Aufbau hinzutreten, d. h., eine Anordnung von auf alle Formen der Pulsmodulation anwendbar ist, tandemgeschalteten Rechteckwellen-Verstärkern und besteht im wesentlichen darin, daß, wenn eine Nach- Begrenzungseinrichtungen verursacht eine merkliche rieht, die eine Amplitude-Zeit-Funktion ist, in regel- lineare Verzerrung und Nullpunktverschiebung, die

Ordnung, bei der die bekannten Schnellschaltdioden zusammen mit einem Differentiator verwendet werden, könnte möglicherweise die Nulldurchgänge eines hochfrequenten Trägers mit verhältnismäßig scharfen Spitzen bei Wiederholungsgeschwindigkeiten im MHz-Bereich abtasten oder markieren. Es treten jedoch zahlreiche Schwierigkeiten bei einer solchen Anordnung auf, die noch zu ihrem komplizierten

einem Nulldurchgangs-Kippkreis, einem Differentiator und einer Begrenzungseinrichtung für negative Impulse ausgestattet. Der Kippkreis besteht aus einer Tunneldiode, die nach Art einer bistabilen Schaltung 5 in der Nähe der Instabilität vorgespannt ist. Jedesmal, wenn ein frequenzmodulierter Zwischenfrequenzträger von der Ausgangsseite des Mischers an den Kippkreis angelegt ist und durch die Nullachse in die positive Hälfte jeder Periode übergeht,

von Nichtlinearitäten der Bauteile und von der Notwendigkeit herrühren, daß die verstärkten Rechteckwellenimpulse über Kondensatoren geleitet werden müssen, bevor die begradigte Rechteckwelle differenziert wird. Auch haben Änderungen der Zeitkonstanten der verschiedenen Rechteckwellen-Verstärker und Begrenzungsschaltungen in Tandemanordnung notwendigerweise gewisse Zeitverzögerungen oder Phasenfehler zur Folge, die sowohl von der

Amplitude als auch von der Frequenz der Modula- io schaltet die Tunneldiode von einem Zustand höhen tionsfunktion abhängen. Ähnliche Schwierigkeiten, Stroms und niedriger Spannung in einen Zustand insbesondere im Hinblick auf die Übertragungsband- niedrigen Stroms und hoher Spannung um. Sie breite, treten auch bei einer als Multiar bekannten schaltet in den anderen Zustand zurück, wenn die Anordnung auf. Trägeramplitude durch die Nullachse in die negative

Die Erfindung will eine verbesserte Schaltungs- i₅ Hälfte der Periode übergeht. Da dieses Schalten anordnung zum Markieren der Nulldurchgänge von weniger als eine Nanosekunde beansprucht, wird (als Wechselspannungen schaffen. Sie geht dazu aus von Folge der augenblicklichen zeitlichen Änderungseiner Schaltungsanordnung mit einem Kippkreis, geschwindigkeit der Trägerspannung) die Welleneiner Schaltung zum Anlegen der Wechselspannung form der Trägerspannung für eine sehr kurze Zeitan den Kippkreis und einem in Reihe geschalteten ₂o spanne beim Durchgang durch Null verstärkt. Auf Differentiator und empfiehlt, daß der Kippkreis ein diese Weise werden die vertikalen Flanken der aktives Element mit einem Bereich negativen Wider- Wellenform der Trägerspannung versteuert, und dies Standes und zwei stabilen Zuständen aufweist, ferner hat die Ausbildung sehr scharfer Spitzen großer Ameinen Belastungswiderstand, der zwischen das aktive plitude zur Folge, die jeden zweiten Nulldurchgang Element und die Schaltung zum Anlegen der 25 des Trägers genau markieren, wenn dieser durch den Wechselspannung gespaltet ist, und eine Gleich- Differentiator und die Begrenzungseinrichtung für Spannungsquelle, welche das aktive Element nahe die negativen Impulse geleitet wird. Wenn der anseinen Instabilitätspunkten vorspannt, so daß jede gelegte Träger eine Frequenz hat, die mindestens Polaritätsänderung der an den Kippkreis angelegten doppelt so groß wie die höchste Modulationsfrequenz Wechselspannung eine Änderung seines stabilen Zu- 30 ist, nähern sich die aufeinanderfolgenden positiven Standes bewirkt und der Kippkreis dadurch im Impulse an der Ausgangsseite der Begrenzungswesentlichen rechteckförmige Wellen mit scharf einrichtung einer pulsphasenmodulierten Welle, definierten Flanken erzeugt, die mit den Nulldurch- Der Ausdruck Modulator bezeichnet in der vorgängen der Wechselspannung zusammenfallen, und liegenden Beschreibung eine Vorrichtung, die in der daß der Differentiator die im wesentlichen rechteck- 35 Lage ist, eine besondere Form einer zeitverändernförmigen Wellen differenziert und Impulse erzeugt, den Nachricht zu modulieren, zu übertragen oder zu welche die Nulldurchgänge der Wechselspannung demodulieren, wobei diese verschiedenen Funktionen genau markieren. des Modulators ausschließlich durch seine Stellung

Als aktives Element mit einem Bereich negativen innerhalb eines gegebenen Übertragungssystems beWiderstandes und zwei stabilen Zuständen kann jede 40 stimmt sind. Beispielsweise kann der Modulator am Anordnung mit diesen Eigenschaften, beispielsweise senderseitigen Ende eines PPM-Systems die moduein Dynatron oder ein Spitzentransistor in Emitter- lierende Nachricht umsetzen, deren Frequenz einen schaltung, verwendet werden. Nach einer weiteren hochfrequenten Träger in eine PPM-Form moduliert, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist Umgekehrt kann der gleiche Modulator am emphierfür eine Tunneldiode insbesondere wegen ihrer 45 fängerseitigen Ende eines FM-Systems zusammen kurzen Schaltzeiten besonders geeignet. mit einem Tiefenpaßfilter einen Demodulator bilden.

Die Erfindung schafft daher die Möglichkeit, die Nulldurchgänge eines hochfrequenten Trägers im MHz-Bereich zu markieren. Vorteilhafterweise kann

jeder zweite Nulldurchgang eines hochfrequenten 50 und der Differentiator können auch bei beliebigen Trägers, der durch ein breites Frequenzband von Systemen zur Anwendung kommen, bei denen ein Nachrichtensignalen in einer einer PPM-Welle angenäherten Weise moduliert ist, genau markiert werden.
Nach der Erfindung werden bei jedem Nulldurchgang die vertikalen Flanken der Wellenform vor der 55 quenzregelung, erwünscht ist.

Differenzierung nach Art des Rechteckimpulses stark In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der

Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild eines NuIldurchgangs-Puls-Modulators zur Anwendung als 60 Puls-Phasen-Modulator nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Strom-Spannungs-Kennlinie der in dem Modulator nach Fig. 1 verwendeten Tunneldiode,

F i g. 3 Teile dreier Wellenformen zur Darstellung

sehr scharfe Spitzen bei Wiederholungsgeschwindig- 65 eines sinusförmigen, frequenzmodulierten Trägers, keiten im MHz-Bereich geeignet ist. der an den Modulator nach F i g. 1 angelegt wird,

Bei einem Anwendungsbeispiel der Erfindung ist des Trägers in der abgewandelten Form am Ausgang ein Puls-Phasen-Modulator mit einem Mischer, des Nulldurchgangs-Kippkreises und einer PPM-

AIs solcher kann er den üblichen FM-Diskriminator ersetzen.
Der oben beschriebene Nulldurchgangs-Kippkreis

genaues Markieren der Nulldurchgänge eines modulierten, unmodulierten oder wiederhergestellten Trägers, z. B. zum Zweck der Zeitmeß- oder Fre-

versteilert, so daß nach dem Differenzieren eine Ausgangspulsfolge von sehr scharfen Spitzen großer Amplitude erzeugt wird, die die Nulldurchgänge des Trägers genau markieren.

Die Erfindung schafft ferner einen Puls-Phasen-Modulator von einfacher und praktischer Ausbildung, der zum Markieren der Nulldurchgänge eines modulierten oder unmodulierten Trägers durch

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Pulsfolge, die an dem Ausgang des Modulators auf- Hälfte einer Periode übertritt, eine Verschiebung der tritt und der ursprünglich angelegten Trägerwelle an- Lastlinie, z. B. aus der Lage 25 in die Lage 25', zur nähernd entspricht. Folge, und die Diode kippt vom Punkt B nach C

Gemäß Fig. 1 wird zur Anwendung eines Null- und dann zurück in den ersten stabilen Bereich bei durchgangs-Puls-Modulators in einem Puls-Phasen- 5 Punkt D auf der Stromspannungskurve. Da dieses Modulationssystem ein Mischer 12 zusammen mit Umschalten mit Vorteil in weniger als einer Nanoeinem örtlichen Oszillator 13 zum Umwandeln eines Sekunde bei vielen der handelsüblichen Arten von angelegten frequenzmodulierten Trägers in eine Fre- Tunneldioden herbeigeführt werden kann, beanquenz, die mindestens doppelt so groß wie die sprucht das Umschalten von einem Zustand in den höchste Grundfrequenz der modulierenden Nach- io anderen normalerweise nur einen Bruchteil der Anrieht ist, verwendet. Dies ermöglicht die Um- stiegs- oder Abfallzeit der Wellenform der Trägerwandlung der modulierenden Nachricht aus der spannung. Ein so schnelles bistabiles Schalten der Form einer frequenzmodulierten Welle in eine puls- Tunneldiode 15 bei jedem Durchgang des Trägers phasenmodulierte Welle durch Markieren jedes durch die Nullachse verursacht eine plötzliche, mit zweiten Nulldurchganges des Trägers durch einen 15 der Zeit veränderliche Geschwindigkeit des Spanhinreichend schmalen Impuls. nungswechsels, die in wirksamer Weise die vertika-Der Nulldurchgangs-Kippkreis 11 besteht aus einer len Flanken der Wellenform der Trägerspannung zur Tunneldiode 15, die in der Vorwärtsrichtung mittels rechteckigen Form versteuert. Im Zusammenhang einer Gleichspannungsquelle 16 vorgespannt ist, und damit wird durch diese wirksame Umformung der aus einem Belastungswiderstand 17. Die positive 20 Wellenform des Trägers ein genaues Markieren Klemme der Spannungsquelle 16 ist über den mindestens jedes zweiten Nulldurchganges des Mischer 12 mit der Anodenseite der Tunneldiode Trägers nach der Differenzierung gewährleistet, verbunden. Mit dem Nulldurchgangs-Kippkreis 11 Bekanntlich ist die mathematische Ableitung einer sind ein Differentiator und eine Abtrennschaltung 18 Rechteckfunktion die Funktion einer Wellenform, in Reihe geschaltet, in welcher die negativen Impulse 25 deren Ordinate außer an den Übergangsstellen durchunterdrückt werden. Diese Schaltung 18 besteht aus gehend Null ist. An diesen Punkten würde ein geeinem Kondensator 19, einem Widerstand 20 und naues Differenzieren (endliche Zeitkonstante) Imeiner üblichen Diode 21, die an die Ausgangs- pulse unendlich hoher Amplitude, der Breite Null klemmen des Modulators parallel angeschlossen ist. und wechselnder Polarität liefern. Die Bedeutung Da die Kathode der Diode mit der Ausgangsseite des 30 der Umwandlung einer sinusförmigen Welle in eine Kondensators 19 verbunden ist, wird die Diode nur Rechteckwelle vor dem Differenzieren für die Erbei negativen Spannungsimpulsen leitend. Sie stellt zeugung einer Reihe sehr schmaler Nadelimpulse dann einen geringen Widerstand für die negativen großer Amplitude ist daher offensichtlich. Spannungsimpulse dar, und auf diese Weise werden Bei einer Vorspannung der Tunneldiode entdie Impulse negativer Spannung aus der abgegebenen 35 sprechend F i g. 2 bringt die geringste positive PPM-Pulsfolge herausgeschnitten. Aus Gründen der Steigerung der Vorspannung die Diode zum Kippen Vereinfachung werden die bekannten Einzelheiten aus dem Punkt A in den Punkt B. Dadurch wird ein der Schaltung zum Trennen der Hochfrequenzanteile präzises Markieren jedes zweiten Nulldurchganges von den Gleichstromanteilen des Modulators weg- eines angelegten Trägers sichergestellt, wenn seine gelassen. 40 Wellenform z. B. aus der negativen Hälfte durch Wegen ihrer physikalischen Eigenschaften bietet Null in die positive Hälfte der Periode übergeht, die Tunneldiode zahlreiche Vorteile gegenüber Zum Umschalten aus Punkt B nach C und nach £> anderen hierfür geeigneten Vorrichtungen, insbe- mit der Lastlinie 25 ist jedoch eine negative Spansondere auch gegenüber den bekannten Vorrichten- nung erforderlich, deren Wert etwas größer als gen mit negativem Widerstand, z. B. dem Dynatron ₄₅ (V-V) ist. Daher markiert die Diode die NuIl- und dem Spitzentransistor in Emitterschaltung. Zu Durchgänge einer Wechselspannung beim Durchgang diesen Vorteilen gehören Verläßlichkeit, Hoch- der Wellenform durch Null aus der positiven Hälfte frequenzeignung, Rauscharmut und sehr kleine Zeit- in die negative Hälfte einer Periode nicht genau, konstanten. Die letzte Eigenschaft wird bei der Er- Dies ist bei der Anwendung der PPM unwichtig, da findung besonders ausgenutzt. 50 nur die positiven Spitzen — also nur jede zweite Bei dem Puls-Phasen-Modulator nach Fig. 1 ist Spitze — an dem Ausgang des Nulldurchgangs-Kippdie Diode derart vorgespannt, daß eine Belastungs- kreises 11 ausgenutzt werden. Wenn hingegen eine kennlinie 25 deren Stromspannungskurve in zwei präzise Markierung aller Durchgänge einer Wellenstabilen Punkten^ und B schneidet. Die Tunnel- form durch die Nullachse genau durchgeführt werdiode ist also in der Nähe der Instabilität bei 55 den soll, z. B. für Zeitmeß- oder Frequenzregelungs-Punkt A vorgespannt, wobei eine anfängliche Gleich- zwecke, so ist dies leicht dadurch zu erreichen, daß vorspannung V am Nulldurchgangs-Kippkreis ange- durch eine Änderung der Gleichvorspannung und legt ist. Wenn eine zusätzliche positive Spannung des Belastungswiderstandes die Lage der Lastlinie vom Ausgang des Mischers an der in Vorwärts- geringfügig geändert wird. Wenn z. B. die Lastlinie richtung vorgespannten Tunneldiode 15 zur Wirkung 60 so gewählt wird, daß ihre Neigung beinahe mit dem kommt, z.B. wenn ein frequenzmodulierter Träger dem negativen Widerstand entsprechenden Zweig durch die Nullachse in die positive Hälfte einer der Strom-Spannungskurve zusammenfällt, bringt Periode übergeht, wird die Tunneldiode umgeschaltet eine geringfügige Änderung der Vorspannung in oder z. B. aus dem ersten stabilen Punkte entlang positiver wie auch in negativer Richtung die Tunneider Stromspannungskurve nach F i g. 2 zum Punkt B 65 diode zum Kippen und bewirkt ein genaues Marzum Kippen gebracht. Umgekehrt hat eine kleine kieren jedes Nulldurchganges einer an den Kippkreis negative Spannung, die z. B. erzeugt wird, nachdem angelegten Wechselspannung, der Träger durch die Nullachse in die negative In Fig. 3 stellen die Kurven30 und 31 mehrere

Perioden einer frequenzmodulierten Trägerspannungswelle als Funktion der Zeit vor bzw. nach dem Durchgang durch den Nulldurchgangs-Kippkreis 11 nach Fig. 1 dar. Die in vollen Linien dargestellte Impulsfolge 32 wird durch die einzelnen Durchgänge der umgeformten Trägerwelle (Wellenform 31) durch den Differentiator und die Abtrennschaltung 18 für die negativen Impulse erzeugt. Die in unterbrochenen Linien dargestellten negativen Impulse 33 zeigen die Lage an, die sie gegenüber den positiven Impulsen bei nicht vorhandener Diode 21 einnehmen würden. Diese Maßnahme würde zu treffen sein, wenn alle Nulldurchgänge einer angelegten Trägerwelle zu markieren wären. Eine genaue Untersuchung der Kurve 31 zeigt, daß der Nulldurchgangs-Kippkreis die vertikalen Flanken der Trägerwelle verstärkt und innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne zur Rechteckform versteuert. Der versteuerte Abschnitt der Wellenform der Trägerspannung ist zwischen der Zeitachse und der strichpunktierten Linie 34 ange- ao deutet. Da die tatsächliche Anstiegs- und Abfallzeit jeder Halbperiode des Trägers zwischen der Zeitachse und der strichpunktierten Linie 34 sehr klein ist, wurde diese in der Zeichnung nicht dargestellt. Da eine Tunneldiode bei Vorspannung in der um- as gekehrten Richtung einen nur sehr geringen Widerstand hat, ist die Spannung an der Diode während der negativen Halbperiode der angelegten Spannung, wie die Kurve 31 erkennen läßt, im wesentlichen Null.

Zwischen der Frequenz und der Folge aufeinanderfolgender Perioden einer frequenzmodulierten Welle besteht nicht dauernd eine direkte lineare Beziehung. Dementsprechend kann in gewissem Umfang eine Verzerrung durch das Abtasten der Nulldurchgänge einer FM-Welle auftreten, wenn diese in einem üblichen PPM-Demodulator demoduliert wird. Eine solche Verzerrung kann wesentlich vermindert oder ausgeschaltet werden, indem entweder die ursprüngliche FM-Signalwelle am Senderende vorverzerrt oder die demodulierte PPM-Welle am Empfängerende eines gegebenen Übertragungssystems in bekannter Weise nachverzerrt werden.

Der beschriebene Nulldurchgangs-Kippkreis kann z. B. auch zusammen mit dem Differentiator zum genauen Markieren entweder aller Nulldurchgänge oder nur jedes zweiten Nulldurchganges eines unmodulierten wie auch eines wiederhergestellten Trägers zur Zeitmeß- oder Frequenzregelung in vielen Anwendungsfällen verwendet werden. Gleichfalls kann ein beliebiges anderes Element mit negativem Widerstand mit ähnlichen Eigenschaften wie die Tunneldiode Anwendung finden.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Schaltung zum Markieren der Nulldurchgänge von Wechselspannungen mit einem Kippkreis, einer Schaltung zum Anlegen der Wechselspannung an den Kippkreis und einem in Reihe geschalteten Differentiator, dadurch gekennzeichnet, daß der Kippkreis ein aktives Element mit einem Bereich negativen Widerstandes und zwei stabilen Zuständen aufweist, ferner einen Belastungswiderstand, der zwischen das aktive Element und die Schaltung zum Anlegen der Wechselspannung geschaltet ist, und eine Gleichspannungsquelle, welche das aktive Element nahe seinen Instabilitätspunkten vorspannt, so daß jede Polaritätsänderung der an den Kippkreis angelegten Wechselspannung eine Änderung seines stabilen Zustandes bewirkt, und der Kippkreis dadurch im wesentlichen rechteckförmige Wellen mit scharf definierten Flanken erzeugt, die mit den Nulldurchgängen zusammenfallen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element negativen Widerstandes eine Tunneldiode ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen einer Wechselspannung an das aktive Element eine Einrichtung zum Ableiten einer Zwischenfrequenz von einem frequenzmodulierten Träger aufweist, die mindestens doppelt so hoch wie die höchste Frequenz der modulierenden Funktion des frequenzmodulierten Trägers ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ableiten einer Zwischenfrequenz einen örtlichen Oszillator und einen Mischer aufweist, die in Serie dem Kippkreis vorgeschaltet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909 521/347