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Verfahren und Einrichtung zur Übertragung von Nachrichtensignalen-(Zusatz
zu Fatent . ... ... (Amtl.Aktz. P 1 901 625.2 (PA 69/9201)) Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zur thertragung von Nachrichtensignalen in der Atmosphäre,
bei dem die Modulationssignale als Trägerschwingungen dienenden Laserstrahlen aufmoduliert
sind, insbesondere in Form einer Amplitudenmodulation. Des weiteren bezieht sich
die Erfindung auf Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Bei der Ausbreitung von Laserstrahlen in der Atmosphäre oder in Wellenleitern
mit hinsichtlich der Störungen nlichen Verhältnissen zeigt sich, daß zum Teil ganz
erheb liche, zeitlich meist stark veränderliche Absorptionen im Übertragungsweg
auftreten. Die Ursachen hierfür dürften in Turbulenzen der Atmospäre, der Anwesenheit
von Aerosolteilchen und dergleichen zu sehen sein. Die zwischenzeitlich festgestellt
wurde und beispielsweise in "IEEE Journal of Quantum Electronics" Vol. OE-3, Nr.11,
Nov.1967, Seiten 540 bis 543, beschrieben, handelt es sich bei diesen Effekten praktisch
durchweg um solche, die Intensitätsschwankungen verursachen, ohne den Polarisationszustand
der Laserstrahlen zu beeinflussen.
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Ähnliche Effekte einen auch durch den Laser selbst verursacht sein,
vor allem, wenn es sich um Gaslaser handelt. Für
Gaslaser ist' nämlich
zwischenzeitlich bekannt, daß diese infolge von Gasentladungseffekten keinen zeitlich
konstanten, sondern einen mit einem Rauschsignal leicht amplitudenmodulierten Strahl
abgeben. Derartige Störungen bedingen zwar nicht die starken Dämpfungseinbrüche,
wie atmosphärische Störungen, sind aber eine Ursache für eine wesentliche Verschlechterung
des Verhältnisses von Signalleistung zu Geräuschleistung am Ausgang des Ubertragungssystems.
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Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten bei der Nachrichtenübertragung
mit Laserstrahlen wird im Hauptpatent u.a. vorgeschlagen, den als Trägerschwingung
für das Modulationssignal vorgesehenen Laserstrahl sendeseitig in Form von zwei
in der Polarisation unterscheidbaren Teilstrahlen, vorzugsweise in Form von zlsei
linear polarisierten Teilstrahlen, mit zueinander normal stehenden Schwingungsrichtungen
zu erzeugen und hierbei das zu übertragende Modulationssignal sendeseitig den beiden
Teilstrahlen gegensinnig aufzumodulieren und empfangsseitig durch Bilden des Verhältnisses
aus den beiden Teilstrahlen zurückzugewinnen.
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Dieser Vorschlag gründet sich auf die in der einleitend genannten
Literaturstelle beschriebene Tatsache, daß der Polarisationszustand der übertragenen
Laserstrahlen im Über tragungsweg praktisch nicht störend beeinflußt wird.
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Bei großer Aussteuerung der Teilstrahlen durch das Modulationssignal
treten insbesondere bei Amplitudenmodulation nichtlineare Verzerrungen auf. Diese
Verzerrungen lassen sich grundsätzlich durch eine geeignete Vorverzerrung und/oder
eine Nachentzerrung begegnen, die auf den elektrischen Obertragungsabschnitt,
auf
der Sendeseite und/oder auf der Empfangsseite zu beschränken ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,eine besonders wirkungsvolle
Mglichkeit zur Unterdrückung der bei großer Aus steuerung der Teilstralllen durch
das Modulationssignal auftretenden nicijtlinearen Verzerrungen anzugeben.
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Ausgehend von einem Vcrfahren zur Übertragung von Nachrichtensignalen
in der Atmosphäre, bei dem die Modulationssignale als Tr<gerschwingungen dienenden
Laserstrahlen in Form einei Amplitudenmodulation aufmoduliert sind, bei dem ferner
der als Trägerschwingung für das Modulationssignal vorgesehene Laserstralll sendeseitig
in Form von zwei in der Polarisation unterscheidbaren Teilstrahlen, vorzugsweise
in Form von zwei linear polarisierten Teilstrahlen, mit zueinangler normal stehenden
Schwingungsrichtungen erzeugt wird, und bei dem das zu übertragende Modulationssignal
sendeseitig den beiden Teilstrahlen gegensinnig aufmoduliert und empfangsseitig
durch Bilden des Verhältnisses aus den beiden Teilstrahlen zurückgewonnen wird,
nach Patent . ... ...
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(P 1 901 625.2), wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß die empfangsseitige Verhältnisbildung der teiden Teilstrahlen mittelbar durch
Bilden des Verhältnisses aus der Differenz und der Summe der beiden Teilstrahlen
herbeigeführt wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die unerwünschten
nichtlinearen Verzerrungen vollständig von dem am Ausgang des Verhältnisbilders
zurückgewonnenen Modulationssignal abtrennen, d.h. eliminieren lassen, wenn anstelle
einer unmittelbaren Verhkltnisbildung der beiden Teilstrahlen
eine
mittelbare Verhältnisbildung der angegebenen Art vorgenommen wird.
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Besonders einfach gestalten sich die Verhältnisse, wenn zur Rückgewinnung
des Modulationssignals empfangsseitig das Verhältnis aus der Differenz der beiden
Teilstrahlen zur Summe der beiden Teilstrahlen gebildet wird.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung werden
sendeseitig die Teilstrahlen vom Modulationssignal gegensinnig in ihrer Intensität
moduliert. Empfangsseitig wird dann die Demodulation mit quadratischer Kennlinie
vorgenommen.
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Eine besonders zweckmäßige empfangsseitige Einrichtung zur DurchfUhrung
des Verfahrens besteht darin, daß der optische Eingang der empfangsseitigen Einrichtung
von einer den ankommenden Summenstrahl in Teilstrahlen aufteilenden Polarisationsvreiche
gebildet ist, deren beiden optischen Ausgänge mit elektrooptischen Wandlern verbunden
sind. In diesem Falle ist an die elektrischen Ausgänge der beiden Wandler ein Auswerter
angeschaltet, der hierbei-aus enigstens einem Summen- und einem Differenzverstärker
und einem Verhältnisbilder, vorzugsweise einem Quotientenverstärker, besteht, der
mit seinen beiden Eingängen an die Ausgänge des Summen- und Differenzverstärkers
angeschlossen ist.
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Die Anschaltung des Auswerters an die Wandler ist in der Weise vorgenommen,
daß der Summen- und der Differenzverstärker jeweils mit einem ihrer beiden Eingänge
mit den elektrischen Ausgängen der beiden Wandler in Verbindung stehen.
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Im Interesse einer möglichst vollständigen Unterdrückung der nichtlinearen
Verzerrungen ist es sinnvoll, die empfangsseitige
Einrichtung so
zu bemessen, daß die optischen bzw.
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elektrischen Längen der getrennten Übertragungswege zwischen dem
Eingang der Polarisationsweiche und dem Ausgang des Verhältnisbilders wenigstens
annähernd gleich groß sind.
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Auf diese Weise werden nämlich Phasenfehler zwischen den beiden ins
Verhältnis zu setzenden Größen sowie bei der Summen- und bei der Differenzildung
der beiden in elektrische Größen umgesetzten Teil strahlen unterbunden, was für
die Verzerrungsfreie Rückgewinnung des übertragenen Modualtionssignals bedeutsam
ist.
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An Kand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten
Fig. la und ib Vektorschaubilder eines zirkular bzw. elliptisch polarisierten Summenstrahls,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Übertragungsanordnung, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel
für die empfangsseitige Verhältnisbildung nach der Erfindung.
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Das in Fig. la dargestellte Vektorschaubild stellt die Schwingungsrichtungen
von zwei senkrecht aufeinander stehenden linear polarisierten Teilstrahlen S1 und
S2 dar, die gleiche Amplitude aufweisen, jedoch einen gegenseitigen Phasenunterschied
von #/2 haben. Der aus den beiden Teilstrahlen S1 uns S2 resultierende Summenstrahl
RS stellt einen zirkular polarisierten Strahl dar.
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Das der Fig. la entsprechende Vektorschaubild nach Fig. Ib stellt
den Fall der beiden Teilstrahlen S1 und S2 nach
Fig. la dar, in
dem diese, hier mit Sim und S2m bezeichneten Teilstrahlen von einen Modulationssignal
gegensinnig in ihrer Amplitude bzw. ihrer Intensität moduliert sind. Der modulierte
Summenstrahl RSm ist hier ein elliptisch polarisierter Summenstrahl mit den ihn
charakterisierenden, in das Vektorschaubild eingetragenen Ellipsen. Bei dieser Aussteuerung
schwankt der Polarisationszustand zwischen den beiden aufeinander senkrecht stehenden,
diesen Polarisationszustand charakterisierenden Ellipsen, wobei dazwischen immer
der zirkulare Zustand durchlaufen wird. Die Ellipsen müssen das eingezeichnete Quadrat
stets an vier Punkten berühren. Im Extremfall kann hier die lineare Polaristation
mit horizontaler oder vertikaler Schwingungsrichtung auftreten. Das Modulationssignal
ist durch das Verhältnis der Hauptachsen der Ellipsen bestimmt.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel für eine Einrichtung
zur Nachrichtenübertragung wird von einem zirkular polarisierten Laserstrahl Gebrauch
gemacht. Der mit L bezeichnete Laser liefert einen linear polarisierten Strahl.
Zur Erzeugung eines zirkular polarisierten Strahles ist dem Laser L eine/4-Platte
nachgeschaltet (mit /4 bezeichnet). Ferner ist hier auf der Sendeseite im Strahl
lengang des Lasers L mit seiner optischen Achse parallel zum Laserstrahl ein KDP-Kristall
K angeordnet, auf den ein von einer Modulationseinrichtung M gesteuerters elektrisches
Feld parallel zur optischen Achse einwirkt. Das Modulationssignal Sig wird an den
Eingang E der Modulationseinrichtung M gelegt. Der RDP-Kristall K moduliert die
beiden Teilstrahlen S1 und S2 nach Fig. la entsprechend dem Vektorschaubild nach
Fig. ib in Abhärigigkeit des
llodulationssignals Sig gegensinnig
in ihrer Intensität. Auf der @mpfangsseite wrd der modulierte Summenstrahl einer
entsprech@nd angeordneten Polarisationsweiche PW zugeführt, die den elliptisch polarisierten
Summenstrahl in zwei linear polarisierte Teilstrahlen aufspaltet, und zwar derart,
daß die S@hwingungsrichtungen dieser Teilstrahlen parallel zu den Hauptachsen der
Ellipse liegen. Um den räumlichen Abstand zwischen den durch die Polarisationsweiche
PW voneinander getrennten Teilstrahlen zu vergrößern,werden die Teilstrahlen zunächst
einem aus den Spiegeln s1, s1' und s2, s2' bestehenden Ablenksystem und anschließend
den beiden elektrooptischen Wandlern Wl und W2 zugeführt. Lassen sich keine optisch
gleichen Weglängen für die beiden Teilstrahlen zwischen der Polarisationsweiche
und den Wandlern verwirklichen, dann mul3 zumindest hinter dem elektrischen Ausgang
eines der beiden Wandler zur Vermeidung von Laufzeitunterschieden eine entsprechend
bemessene elektrische Verzögerungsleitung eingeschaltet werden. Die als Detektoren
aufzufassenden optoelektronischen Wandler WI und W2 haben quadratische Kennlinien
und liefern die aus den optischen Eingangssignalen gearonnenen ausgangsseitigen
elektrischen Signale an die Eingänge des Auswerter AW, der die erfindungsgemäße
Verhältnisbildung herbei fährt und an dessen Ausgang A das ursprüngliche unverzerrte
Modulationssignal Sig als Signal Sig' abgenommen werden kann.
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In Fig. 3 ist in Ergänzung von Fig. 2 der Auswerter AW in seiner prinzipiellen
Schaltungsaufbau dargestellt. Er besteht aus einem Differenzverstärker DV, einem
Summenverstärker 5V und einem den Ausgängen des Differenzverstärkers und des Summenverstärkers
nachgeschalteten, einen Quotientenverstärker
darstellenden Verhältnisbilder
VB, an dessen Ausgang A das zurückgewonnene Modulationssignal ansteht. Wie Fig.
3 erkennen läßt, ist der eine Eingang des Summenverstärkers SV mit dem nichtinvertierenden
Eingang (+) des Differenzverstärkers zum einen und der andere Ausgang des Summenverstärkers
mit dem invertierenden Eingang (-) des Differenzverstärkers zum anderen Eingang
des Auswerters AW vereinigt. Hierbei ist der eine Eingang an den elektrischen Ausgang
des Wandlers W1 und der andere Eingang an den elektrischen Ausgang des Wandlers
W2 angeschaltet. Die an den optischen Eingängen der Wandler anstehenden optischen
Teilstrahlen Sim und S2m werden somit nach ihrer Umwandlun; in elektrische Signale
jeweils einem der beiden Eingänge des Summenverstärkers und des Differenzverstärkers
zugeführt. Am Ausgang des Differenzverstärkers DV tritt alsdann die Differenz aus
den elektrischen Größen der beiden Teilstrahlen u (t) und am Ausgang des Summenverstärkers
SV die Summe der elektrischen Größen der beiden Teilstrahlen u+ (t) auf. Im Verhältnisbilder
VB wird alsdann das Verhältnis aus u (t) zu u+ (t) gebildet, dessen Ergebnis das
unverzerrte sendeseitige I4odulationssignal in Form der Spannung u(t) ist.
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Zum besseren Verständnis soll die Wirkungsweise des erfindungsgeräßen
Auswerters AW nach Fig. 3 an Hand einer mathematischen Betrachtung noch näher erläutert
werden Werden die Intensitäten der beiden Teilstrahlen S1m und S2m mit Ii und 12
bezeichnet, die dabei beide Funktionen der Zeit t sind, und zieren die Intensitäten
dieser beiden Teilstrahlen in der Weise vom Nachrichtensignal beeinflußt,
daß
ihre Summe konstant blcibt (gegensinnige Intensitätsmodulation) dann gilt
| I1(t) = Io/2 (1 + f(t)) |
| I2(t) = Io/2 (1 - f(t)) (1a) |
Hierin bedeutet f(t) das zu übertragende, das Nodulationssignal darstellende Nachrichtensignal.
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Es sei darauf hingewiesen, daß bei elektrooptischen Modulatoren in
den oben angegebenen Gleichungen (1a) anstelle von f(t) die Funktion sin # (t) steht,
wobei #(t) proportional dem Nachrichtensignal ist (sinusförmige Modulationskennlinie).
Für die hier durchzuführende mathematische Betrachtung wird jedoch aus Gründen der
Übersichtlichkeit die Funktion f(t) verwendet.
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Am Empfangsort treffen die beiden Teilstrahlen mit aufgeprägter Störmodulation
ein, d.h. ihre Intensitäten I1'(t) und I2'(t) sind nunmehr durch die Gleichungen
| I1'(t) = Io/2 (1 + f(t)) g(t) |
| I2'(t) = Io/2 (1 - f(t)) g(t) (1b) |
bestimmt. Hierin bedeutet g(t) die Störmodulation.
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Werden die beiden Teilstrahlen, wie das beim Ausführungsbeispiel nach
den Fig. 2 und 3 der Fall ist, von elektrooptischen Wandlern mit quadratischer Kennlinie
in elektrische
Signale umgewandelt, dann wäre die Ausgangsspannung
uA für den Fall, daß der Auswerter unmittelbar das Verhältnis aus den beiden, die
Teilstrahlen darstellenden elektrischen Signalen bildet, durch die Gleichung uA
# 1 + f(t)/1 - f(t) (2) gegeben.
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Die Ausgangsspannung uA ist demnach nur dann der Funktion f(t) proportional,
wenn f(t)«1 ist. In diesem Falle vereinfacht sich die Gleichung (2) in UA 1 + 2f(t)
(3) Ist diese Voraussetzung nicht gegeben, d.h, wird der als Träger verwendete Laserstrahl
vom Modulationssignal in höherem Maße ausgesteuert, dann treten am Ausgang A des
Auswerter neben dem eigentlichen Nachrichtensignal auch noch nichtlineare Komponenten
auf.
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Die in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Ausbildung des Auswerters
AW vermeidet diese Verzerrungen. Die an den gleichartigen elektrooptischen Wandlern
W1 und W2 ausgangsseitig auftretenden elektrischen Signale der Teilstrahlen mit
den Intensitäten I1' und I2' nach den Gleichungen (1b) werden zunächst im Summenverstärker
SV und im Differenzverstärker DV zu einem Summen- und einem Differenzsignal u+(t)
und u (t) zusammengefaßt. Hierbei stellt sich das Differenzsignal durch die Gleichung
| u~(t) = k #I1'(t) - I2'(t)# = kI0f(t)g(t) (4) |
und das Summensignal durch die Gleichung
| u+(t) = k #I1'(t) + I2'(t)# = kI0g(t) (5) |
dar. Die Größe k ist hier eine die Wandler charakterisierendc- Konstante.
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Die auf diese Weise gewonnenen Summen- und Differenzsignale aus den
beiden ursprünglichen Teilstrahlen S1m und S2m werden nun dem Verhältnisbilder VB
nach Fig. 3 zugeführt, der hieraus das Ausgangssignal @~@@@ @@@@@@@@@@@ u(t) # =
= f(t) (6) u+(t) kI0g(t) @i@det.
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Wie die G eichung (6) zeigt, tritt nunmehr das gewünschte übertragene
Nachrichtensignal in Form der Funktion f(t) unverzerrt an 4usgang A des Auswerters
AW auf, da die erfindungsgemäße mittelbare Verhä.ltnisbildung der beiden Teilstrahlen
die Störmodulation g(t) kompensiert.
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Wie die Gleidiungen (4) und (5) ferner erkennen lassen, enthält einerseits
das Differenzsignal u (t) nur die Nachrichtenfunktion f(t) und andererseits das
Summensignal u+(t) nur die atmosphärische Störmodulation g(t). Unter den meist zu
erwartenden Bedingungen besitzt die Funktion g(t) ein weitgehend beschränktes Spektrum,
deren obere Grenzfrequenz bei ca. 1 kHz liegt, während die das Nachrichtensignal
darstellende
Funktion f(t) ein sehr großes Frequenzband aufweisen kann. Hieraus ergibt sich für
den Verhältnisbilder der Vorteil, daß nur ein Eingang für einen großen Frequenzbereich
ausgelegt werden muß.
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5 Patentansprüche 3 Figuren