DE2112041A1

DE2112041A1 - Schaltungsanordnung zur Frequenzumsetzung elektrischer Nachrichtensignale

Info

Publication number: DE2112041A1
Application number: DE19712112041
Authority: DE
Inventors: Hans Albsmeier; Johann Magerl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-03-12
Filing date: 1971-03-12
Publication date: 1972-09-28
Also published as: AT310816B; IT949935B; YU63372A; FR2128816B1; AU463059B2; DE2112041B2; BE780534A; NL150638B; YU34949B; FR2128816A1; GB1334650A; IL38922A; AU3995672A; IL38922A0; NL7203266A

Description

Schaltungsanordnung zur Frequenzumsetzung elektrischer Nachrichtensignale

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Frequenzumsetzung elektrischer Nachrichtensignale, bestehend aus einem symraetrisehen Modulator und einem elektromechanischen Filter, dessen Endresonatoren mit einem elektrostriktiven Antrieb versehen sind.

Bekanntlich beruhen trägerfrequenz E'ernsprechübertragungen darauf, daß mehrere Sprachkanäle, die sich in der Regel über einen Frequenzbereich zwischen 0,3 bis 3»4 kHz erstrecken, mit Hilfe von Modulationseinrichtungen und Selektionsmitteln sendeseitig in ein höheres Frequenzband transponiert werden. Auf der Empfangsseite werden ebenfalls unter Zuhilfenahme von Modulationseinrichtungen und entsprechend ausgebildeten Selektionsmitteln die einzelnen Sprachkanäle wieder in die richtige Frequenzlage umgesetzt. Im Zuge der Verkleinerung solcher Ubertragungssysteme ist man nun bestrebt, den Kanalumsetzer mit mechanischen Filtern in Vormodulationslage auszurüsten. So ist beispielsweise durch die deutsche Auslegeschrift 1 274 663 ein Einseitenband-Trägersystern bekannt geworden, bei dem unter anderem zwölf niederfrequente Sprachbänder, die jeweils im Frequenzbereich von 0 bis etwa 4 kHz liegen, jeweils mit Hilfe eines Vormodulationsträgers von 48 kHz in den Frequenzbereich des Vormodulationsbandes von 48 bis 52 kHz umgesetzt werden und anschließend diese Bänder mit Hilfe

VPA 9/647/0008 /Schy.

2 -

209840/0892

von zwölf Kanalträgern der Erequenz 112, 116, 120...156 kHz in die Lage der Grundprimär gruppe gebracht sind. Beim Aufbau der für ein derartiges System erforderlichen Kanalumsetzer zeigt sich , daß der Eingangswiderstand eines optimal bemessenen mechanischen Filters, das in der Regel mit elektrostriktiv wirkenden elektromechanischen Wandlern ausgerüstet ist, in vielen Fällen in einer solchen Größenordnung liegt, daß der vor- oder auch nachgeschaltete Modulator nicht mehr im Bereich seiner optimalen tk Charakteristik arbeitet. Es kommt ferner hinzu, daß spezifisch dem mechanischen Filter zuzuordnende Eigenschaften, wie beispielsweise der bei jedem elektromechanischen System auftretende Mikrofonieeffekt, störend in Erscheinung treten, da z.B. gerade durch diesen Effekt Störsignale entstehen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend geschilderten Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise abzuhelfen; insbesondere soll eine Schaltungsanordnung zur Frequenzumsetzung elektrischer Nachrichtensignale angegeben werden, bei der einerseits die an sich vorteilhaften Eigenschaften mechanischer Filter, wie deren kleine ™ Abmessungen, hohe elektrische Güte und dergleichen, voll zur Wirkung kommen, wenn gleichzeitig der mit Transistoren ausgerüstete Modulator in seinem günstigsten Arbeitsbereich liegen soll.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung zur Frequenzumsetzung elektrischer Nachrichtensignale, bestehend aus einem symmetrischen Modulator und einem elektromechanischen Filter, dessen Endresonatoren mit einem elektrostriktiven Antrieb versehen sind, wird diese Aufgabe

VPA 9/647/0008 . - 3 -

209840/0892

_ 3 —

erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der elektrostriktive Antrieb des mechanischen Filters zumindest auf der dem Modulator zugewandten Seite durch eine Spule zu einem Parallelresonanzkreis ergänzt ist, daß diese Spule gemeinsam mit einer symmetrisehen Wicklung einen Übertrager bildet, und daß an diese sjanmetrische Wicklung der Modulator angeschlossen ist.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigen in der Zeichnung:

einen erdunsymmetrisch geschalteten Antriebsresonator eines mechanischen Filters, das zum Resonator nach Fig. 1 gehörige elektrische Ersatzschaltbild,

einen erasymmetrisch geschalteten Antriebsresonator eines mechanischen Filters, das zum Resonator nach Fig. 3 gehörende elektrische Ersatzschaltbild,

den Aufbau eines mechanischen Filters, einen Teilausschnitt mit nur zwei Resonatoren aus dem mechanischen Filter nach Fig. 5, den Schaltungsaufbau zur Frequenzumsetzung unter Verwendung eines Gegentaktmodulators, den Schaltungsaufbau des Modulators unter Verwendung eines Doppelgegentaktmoaulators.

Zur Erläuterung des Grundkonzepts ist in den Fig. 1 bis 4 ein elektromechanischer Antriebsresonator bei verschiedenen Anregungen und das jeweilige elektrische Ersatzschaltbild gezeigt. Solche Resonatoren verwendet man in mehrteiligen mechanischen Filtern als Endresonatoren zur Umsetzung

VPA 9/647/0008 - 4 -

2 0 9 8 4 0/0892

der elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen bzw. umgekehrt zur Umsetzung mechanischer in elektrische Schwingungen. Der Resonator 1 besteht dabei aus einem schwingungsfähigen metallischen Material hoher Güte, wie beispielsweise Stahl, auf den ein aus elektrostriktivem Material bestehendes Plättchen 2 aufgebracht ist. Auf der dem Resonator abgewandten Seite ist dieses Plättchen mit einer Metallisierung versehen, an die ein elektrischer Anschlußdraht beispielsweise angelötet werden kann, so

fc daß die elektrische Anschlußklemme 10 entsteht. Über metallische Haltedrähte 4 wird der Resonator in einer metallischen Grundplatte 5 verankert, so daß die Grundplatte gleichzeitig als zweiter elektrischer Anschluß 10· dient. Legt man an die Klemmen 10 und 10^f eine elektrische Wechselspannung, dann führt der Resonator, der im Beispiel nach Fig. 1 als Biegeresonator gedacht sei, ausgeprägte Biegesehwingungen immer dann aus, wenn die Frequenz der angelegten Wechselspannung mit der Biegeeigenfrequenz des Resonators 1 zumindest näherungsweise übereinstimmt. Es ist dies im elektrischen Ersatzschaltbild der Fig. 2 durch den der Eingangsklemme 10 nacligeschalteten Serienresonanzkreis mit dem Kondensator C1 und der Spule L1■

™ kenntlich gemacht. Im Querzweig der Schaltung liegt ein Kondensator Co, durch den die statische Kapazität des elektrostriktiven Plättchens 2 nachgebildet wird. Die auf Erde bzw. Bezugspotential liegende Klemme 10^f stellt den zweiten Anschluß der elektrischen Ersatzschaltung dar.

Die vorstehenden Überlegungen haben in analoger Weise Gültigkeit auf den in Fig. 3 dargestellten Antriebsresonator sowie auf das in Fig. 4 gezeichnete zugehörige elektrische Ersatzschaltbild. Der einzige Unterschied ist d^rin zu

VPA 9/647/0008 -' 5 -

2 0 9840/0092

sehen, daß auf den Resonator 1 ein weiteres Plättchen 2 aufgebracht ist, an das die zweite Anschlußklemme 10' geführt ist, so daß also die Klemme 10» nicht mehr auf Bezugspotential liegt. Im elektrischen Ersatzschaltbild äußert sich dies in der Weise, daß die Ersatzschaltung nach Fig. 2 lediglich erdsymmetrisch ergänzt wird, wobei zwischen der Klemme 10' und der Bezugspotential führenden Leitung ein Übertrager U mit dem Übersetzungsverhältnis -1:1 geschaltet ist, dessen Sekundärwicklung wieder an die Klemme 10 zurückgeführt ist.

Von diesen Überlegungen ist in dem in Fig. 5 dargestellten mechanischen Filter Gebrauch gemacht.

Die Fig. 5 zeigt ein aus mehreren mechanischen Biegeresonatoren 1 bestehendes mechanisches Filter 9, dessen aus metallischem Material, insbesondere Stahl bestehende Biegeresonatoren 1 über ein durchgehendes,Längsschwingungen ausführendes Koppelelement 3 miteinander gekoppelt sind. Die Endresonatoren sind mit elektromechanischen Wandlern 2 und 2' zum Übergang von elektrischen auf mechanische Schwingungen bzw. zum Übergang von mechanischen auf elektrische Schwingungen versehen. Die ursprünglich kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Resonatoren sind mit einer Abflachung versehen, an der bei den Endresonatoren die Wandler 2 und befestigt sind und an der, abgesehen von den Endresonatoren, im Bereich der Schwingungsknoten Halteelemente 4 vorgesehen sind, die ihrerseits in einer Grundplatte 5 verankert sind. Wie der Fig. 5 zu entnehmen ist, verlaufen die Abflachungen der innereren Resonatoren parallel zur Grundplatte 5, und es liegen somit diese Abflachungen in der gleichen Ebene. Die Abflachungen der Endresonatoren

VPA 9/647/0008 - 6 -

209840/0892

stehen senkrecht zu dieser Ebene, wodurch sie gleichzeitig der Aufnahme der elektromechanischen Wandler dienen.

Die Resonatoren sind so dargestellt, daß ihre Stirnseite sichtbar ist und es ist davon auszugehen, daß das Koppelelement 3 an den einzelnen Resonatoren in deren Mittenbereich befestigt ist. Die Resonatoren selbst liegen in einer Ebene und ihre Schwingungsanregung erfolgt in einer solchen Weise, daß sie Biegeschwingungen in Richtung des Doppelpfeils 6, d.h. also parallel zur Grundplatte 5 ausführen. Demzufolge führt auch das Koppelelement 3 Längsschwingungen in Richtung des Doppelpfeils 6 aus. Das.Filter ist mit einem Gehäuse 7 allseitig umgeben, um äußere Einflüsse nach Möglichkeit fernzuhalten. Zwischen dem Filterkörper und der Gehäusewand liegt eine aus schallschluckendem Material bestehende Zwischenlage 8, die senkrecht zur Schwingungsrichtung 6 auftretende Luftresonanzen unterbindet. Im Ausführungsbeispiel ist als Material für die Zwischenlage 8 ein Kunststoff, nämlich Polyestervlies, verwendet, der eine Dicke von 0,5 mm hat. Wie sich zeigt, läßt sich mit dieser Anordnung im gesamten interessierenden Temperaturbereich, also zwischen O und 55⁰C, keine durch Luftresonanzen hervorgerufene Dämpfungsverzerrung mehr beobachten.

Fig. 6 zeigt in perspektivischer Darstellung zwei Filterresonatoren 1 und läßt die achsparallele Anordnung der einzelnen Resonatoren sowie die Kopplung über das Koppelelement 3 im Schwingungsiaaximum der auf Biegung beanspruchten Resonatoren 1 erkennen. Das Koppelelement ist dabei in der Weise an den Resonatoren befestigt, daß es über die gesamte Breite b der Abflachung mit den Resonatoren verschweißt ist.

VPA 9/647/0008 - 7 -

209840/0892

Figc 5 läßt nun erkennen, daß den elektrostriktiv angetriebenen Endresonatoren des mechanischen Filters eine Spule parallel geschaltet ist, so daß der Eingang des Filters zwischen der Klemme 10a und der auf Bezugspotential liegende Klemme 10' zu einem Parallelresonanzkreis ergänzt ist. Die Induktivität der Spule 12 ist so gewählt, daß sich zusammen mit der statischen Kapazität Co und einer eventuell zusätzlichen Parallelkapazität eine Resonanzfrequenz ergibt, die etwa bei der Mittenfrequenz des Filterdurchlaßbereichs liegt. Der Durchlaßbereich ist im Hinblick auf die Verwendung des Filters in einem Trägerfrequenzsystem mit Vormodulation auf einen Frequenzbereich von etwa 48 bis 52 kHz gelegt, was im einzelnen an Hand der Fig. 7 und δ noch näher erläutert wird. Da dem Filter in der Regel Modulatoren vor- und nachgeschaltet sind, ergänzt man Ein- und Ausgang zu Parallelresonanzkreisen, was durch die Spule 12♦ kenntlich gemacht ist, die zwischen der Ausgangsklemme 10b und der auf Bezugspotential liegenden Klemme 10^f liegt.

Die Schaltung nach Fig. 7 zeigt den vollständigen Aufbau zur Frequenzumsetzung unter Verwendung eines Gegentaktmodulator s. Diese Schaltung wird beispielsweise auf der Sendeseite eines Trägerfrequenzsystems verwendet und es wird dabei die Trägerspannung in der Mitte des Kanalfilterabschlußwiderstandes zugeführt. Die Schaltung läßt das nur mehr als Blockschaltbild dargestellte mechanische Filter erkennen, dessen Endresonatoren ein- und ausgangsseitig die Spulen 12 bzw. 12' zur Ergänzung auf einen Parallelresonanzkreis zugeschaltet sind. Die Spulen T.2 und 12¹ bilden gemeinsam mit einer symmetrischen Wicklung 14 bzw. 14' einen Übertrager 13 bzw. 13¹.

VPA 9/647/OOOS *- 8 -

209840/0892

An die Wicklung 14' ist der eigentliche^Modulator 15 angeschaltet, der völlig S3inmetrisch aufgebaut ist. Parallel zur Wicklung 14' liegen die Widerstände R1 und R2, deren der Wicklung 14' zugewandte Anschlußseite auf die Basis zweier Transistoren 17 und 17' führt. Die Kollektoren der Transistoren 17 und 17' stehen jeweils mit dem Anfang bzw. dem Ende einer Wicklung 21 eines weiteren Übertragers in Verbindung, an dessen zweiter Wicklung 22 das modulierte Signal an den Klemmen 25 und 25' abgenommen werden kann. Die Emitter der Transistoren 17 und 17^f sind über die Wider-

P stände R3 und R4 miteinander verbunden und bilden eine Anschlußklemme 27. Von der Wicklung 21 des Übertragers 20 ist eine Mittelanzapfung 28 herausgeführt, die zusammen mit der Anschlußklemme 27 der Gleichstromversorgung der Transistoren 17 und 17' dient, und zwar ist bei der gewählten Schaltung der positive Pol der Gleiclispannungsquelle an die Klemme 28 und der negative Pol an die Klemme 17 anzuschalten. Vom Verbindungspunkt der Widerstände R1 und R2 ist ein weiterer Anschluß 30 herausgeführt, an den die Trägerspannung in Verbindung mit der Basisvorspannung herangeführt ist. Die Widerstände RI und R2 haben jeweils unter sich den gleichen Widerstandswert, ebenso die Wider-

k stände R3 und R4, so daß die Symmetrie des Modulators auf jeden Fall gewährleistet ist. Der Eingang des mechanischen Filters ist über die Spule 12 ebenfalls zu einem Parallelresonanzkreis ergänzt, die Spule 12 ist gleichzeitig Wicklung eines Übertragers 13, dessen zweite Wicklung 14 symmetrisch ist und die Eingangsklemmen 16 und 16* bildet.

Kommt nun ein Signal S1, das durch einen den Klemmen 16, 16' vorgeschalteten weiteren Modulator vom Sprachband in die Frequenzlage von etwa 48 bis 52 kHz umgesetzt wurde, am

VPA 9/647/0008 - 9 -

209840/08 9 2

Eingang 16, I6^f in der gezeichneten Pfeilrichtung an, so wird dieses Signal durch das nachgeschaltete mechanische Filter gesiebt und am Ausgang über den Übertrager 13' dem nachgeschalteten Modulator zugeführt. Speist man am Anschluß 30 z.B. eine Trägerspannung der Frequenz 112 kHz ein, dann erscheint am Ausgang 25» 25' ein Signal S2 im Frequenzbereich 60 bis 64 kHz in Kehrlage. Bekanntlich ist der Frequenzabstand der Trägerspannung 4 kHz, so daß je nach der Frequenz der Trägerspannung die einzelnen Sprachbänder im Abstand von 4 kHz am Ausgang 25, 25' in der Form der Grundprimärgruppe zwischen 60 und 108 kHz zur Verfügung stehen. Zur Unterdrückung unerwünschter Modulationsprodukte wird dann dem Ausgang des Modulators ein weiteres Gruppenfilter mit BandpaßCharakter nachgeschaltet.

An der Wicklung 14 des Übertragers 13 ist ferner noch gestrichelt eine symmetrische Anzapfung erkennbar, die in ähnlicher Weise der Symmetrie eines weiteren vorgeschalteten Modulators dient, so daß also diese Anschlußklemme mit der Klemme 28 vergleichbar ist.

In Fig. 8 ist eine Schaltung dargestellt, bei der der Modulator als Doppegegentaktmodulator 15' ausgebildet ist. Auf diese Schaltung lassen sich die im Zusammenhang mit Fig. 7 gemachten Ausführungen unmittelbar analog anwenden, weshalb wirkungsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, die erforderlichenfalls lediglich mit einer Apstrophierung oder mit dem zusätzlichen Hinweis a oder b versehen sind. Die Schaltung nach Fig. 8 wird bevorzugt auf der Empfangsseite verwendet. Wegen der Ausbildung als Doppelgegentaktmodulator erhält der

VPA 9/647/0008 - 10 -

209840/0892

Übertrager 13' zwei untereinander gleichartige Wicklungen 14a und 14b, die jeweils auf die Basis der Transistoren eines parallel geschalteten Transistorpaares 17a bzw. 17^fa geführt sind. Dementsprechend ist auch jeder Wicklung die Serienschaltung zweier gleicher Widerstände parallel geschaltet, von deren Verbindungspunkt jeweils die Leitungen zu den Anschlußklemmen 30 für die Zuführung der Trägerspannung und der Basisvorspannung führen. Weiterhin muß der Übertrager 20a mit einer zusätzlichen Wicklung 31 versehen sein, über die die Kollektoren der Transistorpaare zusammengeführt sind. Über die Klemmen 27 und 28 wird die für die Transistoren erforderliche Gleichspannung zugeführt.

Durch einen dem mechanischen Filter 9 an den Klemmen 16, 16' vorgeschalteten weiteren Modulator wird durch Wahl einer geeigneten Trägerfrequenz die ankommende Grundprimärgruppe .60 ...118 IcHz so umgesetzt, daß der gewünschte Sprachkanal in die Frequenzlage 48...52 kHz gebracht und vom mechanischen Kanalfilter ausgesiebt wird. Das so ausgesiebte Frequenzband gelangt an den Modulator 15^f und wird in die Frequenzlage 0,3..»3,4 kHz demoduliert.

Abgesehen davon, daß durch die Verwendung einer Spule im Antriebssystem des mechanischen Filters störende Mikrofonieeffekte beseitigt werden, und ein optimales Zusammenwirken des Filters mit dem Modulator erreicht wird, erzielt man durch die Verwendung der Spule noch weitere Vorteile, die dem Filter und damit dem gesamten Umsetzer zugute kommen. Insbesondere ist der für den elektromechanischen Kopplungsfaktor benötigte Wert_r der mit der Filterbandbreite zunimmt und der in seiner Höhe physikalisch begrenzt ist,

VPA 9/647/0008 - 11 -

209840/0892

kleiner als bei einem Filter ohne Spulen. Außerdem lassen sich durch den Abgleich der Endkreise die Auswirkungen kleiner, unvermeidlicher Herstellungstoleranzen im mechanischen Teil des Filters zumindest teilweise kompensieren.

6 Patentansprüche
8 Figuren

VPA 9/647/0003 . - 12 -

209840/0892

Claims

Patentansprüche

Schaltungsanordnung zur Frequenzumsetzung elektrischer Nachrichtensignale, bestehend aus einem symmetrischen Modulator und einem elektromechanischen Filter, dessen Endresonatoren mit einem elektrostriktiven Antrieb versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrostriktive Antrieb (2) des mechanischen Filters (9) zumindest auf der dein Modulator (15) zugewandten Seite durch eine fc Spule (12) zu einem Parallelresonanzkreis ergänzt ist, daß diese Spule (12) gemeinsam mit einer symmetrischen Wicklung (14¹J 14a, 14b) einen Übertrager (13¹) bildet, und daß an diese symmetrische Wicklung (14¹; 14a, 14b). der Modulator (15; 15^r) angeschlossen ist.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 _v dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostriktiven Antriebe (2, 2') beider Endschwinger des mechanischen Filtere (9) zu Übertragern (13, 13') ergänzt sind und an beide Übertrager (13, 13') Modulatoren angeschaltet sind.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge-' kennzeichnet, daß der einzelne Modulator als Gegentakt- oder als Doppelgegentaktmoduletor (15 bzw. 15^f) ausgebildet ist.

Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis des ,jeweiligen Übertragers (13, 13') derart gewählt ist, daß der Modulator (15, bzw. 15^f) im Bereich seiner optimalen Charakteristik arbeitet.

VPA 9/647/0008 - 13 -

2U9840/0892

Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßbereich des mechanischen Filters (9) etwa im Frequenzbereich zwischen 48 und 52 kHz liegt.

Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Filter (9) aus achsparallel angeordneten Biegeresonatoren (1) besteht, die im Bereich ihres Schwingungsmaximums über ein Längsschwingungen ausführendes, senkrecht zu den Resonatoren (1) verlaufendes Koppelelement (3) miteinander gekoppelt sind, daß die Biegeresonatoren (1) aus abgeflachten zylindrischen Walzen bestehen und das Koppelelement (3) im Bereich der Abflachung fest mit dem einzelnen Resonator (1) verbunden ist, und daß die Abflachungen der inneren Resonatoren in der gleichen Ebene liegen, während die Abflachung der Endresonatoren senkrecht steht auf der von den Abflachungen der übrigen Resonatoren gebildeten Ebene.

VPA 9/647/0008

2Ü9840/Ü892