DE2322337A1

DE2322337A1 - Basisbandlaufzeitentzerrer

Info

Publication number: DE2322337A1
Application number: DE2322337A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Furuya
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1972-05-04
Filing date: 1973-05-03
Publication date: 1973-12-06
Also published as: GB1433212A; US3849744A; DE2322337C3; IT987117B; DE2322337B2; JPS5644617B2; JPS495509A

Description

Die Erfindung betrifft einen Basisbandlaufzeitentzerrer für ein breites Frequenzband eines Basisbandsignals in einem nach dem Prinzip der Winkelmodulation arbeitenden Übertragungssystem- .

Derartige, z.B. nach dem Prinzip der Frequenzmodulation arbeitenden Übertragungssysteme werden als Mikrowellen-Obertragungssysteme zur Übertragung von Multiplex-Telefonsignalen oder von Fernsehsignalen eingesetzt. Dabei muß die Kennlinie für die Abhängigkeit der Gruppenlaufzeit von der Frequenz innerhalb einer bestimmten Frequenz-Modulations-Bandbreite für das Multiplex-Telefonsignal oder das Fernsehsignal (insbesondere für ein Farbfernsehsignal) so flach wie möglich sein, um eine getreue Übertragung über die einzelnen Kanäle zu gewährleisten. Wenn diese Kennlinie nicht hinreichend flach ist, tritt ein sog. Pseudo-Übersprechrauschen auf. Dieses Pseudo-Übersprechrauschen, das dem nichtebenen Verlauf der Kennlinie de.s Übertragungs-Systems für die Laufzeit in Abhängigkeit von der Frequenz zuzuordnen ist, nimmt mit der Frequenz des modulierenden Signals zu . Daher ist es in einem Super-Mulitplex-Telefonsignal-Übertragungssystem mit einer Kapazität von z.B. 1800 oder 2 700 Kanälen von äußerster Wichtigkeit, die Gruppenlaufzeit für alle Frequenzkomponenten in dem

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verwendeten FM-Band zu entzerren. D.h. : Die Kennlinie für die oben erwähnte Abhängigkeit der Laufzeit von der Frequenz muß geglättet werden. Ein flacher Verlauf der Kennlinie ist insbesondere für die Übertragung von Farbfernsehsignalen wichtig, da selbst/auch nur geringe Abhängigkeit der Laufzeitverzerrung von der Frequenz das Leuchtdichtesignal beeinträchtigt, so daß der Farbwert des wiedergegebenen Bildes damit eine getreue Wiedergabe des Farbfernsehsignals beeinträchtigt wird.

Zur Glättung der Kennlinie für die Abhängigkeit der Gruppenlaufzeit von der Frequenz über das gesamte erforderliche Übertragungs- · band sind bereits verschiedene Laufzeitentzerrer vorgeschlagen worden. Diese Laufzeitentzerrer verwenden in der Zwischenfrequenzstufe oder in der Mirkowellen-Frequenzstufe ein Allpass-Netzwerk, dessen Kennlinie für die Abhängigkeit der Amplitude von der Frequenz eben ist und dessen Kennlinie für dieAbhängigkeit der Laufzeit von der Frequenz einen entsprechenden kurvenartigen Verlauf hat. Diese Lösung des Problems macht aber die Verwendung von veränderlichen Mehrfach-Kapazitäten oder veränderlichen Spulen im Allpass-Netzwerk erforderlich. Das hat gewisse Nachteile. So ist die Schaltung für den Entzerrer äußerst kompliziert. Die Kapazitäten und Induktivitäten, die dabei verwendet werden, sind nicht über einen hinreichend weiten Bereich einstellbar. Da ferner dieses Allpass-Netzwerk entweder im Zwischenfrequenzbereich, d.h. im Bereich von 70 MHz oder 110 MHz oder im Mikrowellen-Frequenzbereich, d.h. im Bereich von 4 GHz oder 6 GHz eingesetzt wird, müssen die konstanten verwendeten Bauelemente genau auf ganz bestimmte Werte in einer Vielzahl von Schritten eingestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Basisbandlaufzeitentzerrer zu schaffen, der die differentielle Phasenverzerrung in einem FM-Übertragungssystem kompensieren kann, ohne daß dadurch der Aufbau der Schaltung und notwendigen Einstellvqrgänge kompliziert werden.

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Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß der Entzerrer im Basisbandsignal-Übertragungskreis auf der Sende- oder der .Empfangsseite des Übertragungssystems vorgesehen ist und ein Schaltelement mit veränderlicher von der Spannung des ihm zugeführten Basisbandsignals abhängiger Kapazität

aufweist, und daß das laufzeitentzerrte Basisbandsignal von diesem Element abgeleitet wird, unddaß ferner die Kapazität des Elementes in Abwesenheit eines Basisbandsignals durch eine einstellbare an dem Element anliegende Vorspannung bestimmt wird.

Die Erfindung verwendet im Übertragungschaltkreis für das Basisbandsignal eine Kapazitäts-Variations-Diode, mit der die differentielle Phasenverzerrung kompensiert wix'd. Damit geht sie grundsätzlich anders vor, als die herkömmlichen Laufzeitentzerrer, die einen Entzerrer in der Zwischenfrequenz- oder Mikrowellen -stufe verwenden.

Der Begriff des "Basisbandsignales" bezeichnet Signale in der Stufe vor der Winkelmodulation oder nach der Winkeldemodulation in der die Multiplex-Audio-Signale, die Multiplex-Telefonsignale oder die Videosignale, die entweder nach dem Prinzip der Frequenz oder nach dem Prinzip der Zeitteilung weiter übertragen werden, vorhanden sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines FM-Signalübertragungssystems mit einem herkömmlichen Laufzeitentzerrer;

-U-

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Fig. 2 ein Schaltbild eines herkömmlichen Laufzeitentzerrers in einem Übertragungssystem nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines FM-Übertragungssystems mit einem Ausführungsbeispiel eines Basisbandlaufzeitentzerrers ;

Fig. 4 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Basisbandlaufzeitentzerrers in Fig. 3;

Fig. 5 die Kennlinie für die Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität einer Kapazität-Variations-Diode, die in dem Laufzeitentzerrer gemäß Fig. M verwendet wird, von der anliegenden Klemmenspannung;

Fig. 6(a) und (b) weitere Ausführungsbeispiele; und

Fig. 7 eine Kennlinie zur Darlegung der¹ Vorteile des Basisbandlaufzeitentzerrers .

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Fig. 1 zeigt ein herkömmliches FM-Übertragungssystern, das auch den üblichen Laufzeit-Entzerrer aufweist. Das System enthält die Eingangsklemme 1. An ihr wird dem System das Basisbandsignal zugeleitet, das übertragen wird. Mit 2 ist ein Vorverzerrungs-Netzwerk zur Vorverzerrung (preemphasis) der hohen Frequenzkomponenten bezeichnet. Ferner ist ein Basisbandsignal-Übertragungsschaltkreis 3 vorgesehen. Er enthält einen Verstärker, in dem das am Ausgang des Vorverzerrungs-Netzwerkes 2 entstehende Basisbandsignal verstärkt wird. Es gelangt dann an den Frequenzmodulator (FM-Modulator), in dem eine Trägerwelle mit Hilfe des verstärkten Basisbandsignals frequenzmoduliert wird. 5 ist der Übertragungsweg. Seinen Anfang bzw. sein Ende bilden ein FM-Sender 51 und ein FM-Empfängetf 52. Das empfangene Signal wird in dem FM-Signaldemodulator (FM-Demodulator) 4 demoduliert. Auf diese Weise wird das Basis-Bandsignal zurückgewonnen. Das Basis-Bandsignal gelangt dann an· einen Basisbandsignal-Übertragungsschaltkreis 7, in dem das Basisbandsignal verstärkt wird. Das Basisbandsignal gelangt dann an das Rückentzerrungs-Netzwerk 8, in dem die hohen Frequenzkomponenten des verstärkten Basisbandsignals wieder rückentzerrt werden. Mit 10 ist schließlich die Ausgangsklemme bezeichnet, an der das rückentzerrte Signal wieder abgegeben wird. Bei diesem herkömmlichen System ist in der Zwischenfrequenzstufe vor dem Demodulator 6 ein Laufzeitentzerrer 9 vorgesehen. Dieser Laufzeitentzerrer 9 besteht im wesentlichen aus einem symmetrischen Kreuzglied mit konstanter Impedanz oder einer diesem equivalenten Schaltung; der Laufzeitentzerrer kompensiert die unterschiedliche Phasenverzerrung, der das FM-Signal im Übertragungspfad 5 ausgesetzt worden ist.

Fig. 2(a) zeigt ein Beispiel für einen solchen herkömmlichen Laufzeitentzerrer 9, der als überbrücktes Allpass-Netzwerk

—en— aufgebaut ist. Ein dieser Schaltung equivaltes Kreuzglied zeigt Fig. 2(b).

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Diese Netzwerke haben konstante Eingangs-Impedanz und konstanten Amplitudengang für alle Frquenzkomponenten, wenn Induktivitäten und Kapazitäten folgende Beziehung zueinander haben:

R : ο '

soll ein solcher Gruppenlaufzeitentzerrer leicht, einstellbar

sein, dann muß man die Schaltkreiskonstanten L. , L„, C₁ und C_ so einstellen können, daß diese Beziehung stets bestehen bleibt. Dazu müssen die induktiven und kapazitiven Elemente als Mehrfach-Strukturen ausgebildet werden, die jedoch nur äußerst umständlich herzustellen sind.

Fig. 3 zeigt ein FM-Signal-Übertragungssystem, bei dem ein Basisband-Laufzeitentzerrer gemäß der Erfindung vorgesehen ist. Er ist mit dem Bezugszeichen 9' versehen. Er ist im Ausgangskreis für das Basisbandsignal derjenigen Stufe zwischengeschaltet, die auf den Demodulator 6 folgt. Die mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichneten Bauteile in Fig. 3 haben dieselbe Funktion wie in Fig. 1.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild des in Fig. 3 verwendeten Basisband-Laufzeitentzerrers. Das an der Eingangsklemme 11 zugeführte Signal gelangt an das einstellbare Dämpfungsglied 12 und wird dann in dem Basisbandsignal-r Verstärker 13 verstärkt. Es gelangt dann an den Eingang eines Netzwerkes 14 mit veränderlicher Kapazität. Dieses Netzwerk weist eine Kapazität-Variations-Diode auf, deren Kapazität Cd von der Spannung des anliegenden Basisbandsignales abhängt. Die Vorspannung - E , die der Diode über die Klemme 18 zugeführt wird, wird mit Hilfe eines Vorspannungs-Regelkreises 15 eingestellt. Das von dem Netzwerk 14 abgegebene Signal wird von einem Basisbandsignal-Verstärker 16 verstärkt und dann an die Ausgangsklemme 17 abgegeben. C^,

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C₂ und C₃ sind Kapazitäten mit hinreichend hohen Werten, die für das Basisbandsignal nur kleine Impedanzen darstellen.

Wenn die Kapazität Cd der Sperrschicht der Kapazitäts-Variations Diode hinreichend kleiner als die Kapazität C₃ (C,<£ C₃) ist, dann gilt folgende Beziehung zwischen der Signalspannung v.

am Punkt (a) und der Signalspannung ν am Punkt (b):

(R₁ + R₉) f

^{2 J}

1 + jnfCd, ^R1

^R1^R?

Dabei ist uf~ 2 11 f und f die Frequenz des Basisbandsxgnals.

R R

_R*_tR* gegenüber

Daraus geht hervor,-daß v_q um tan "V Cd

v. phasenverzögert ist. Die Phasenverzögerung Q ( itr) der Schaltung zwischen den Punkten (a) und (b) des Netzwerkes 14 ist:

θ (kr)

R R

-tari"¹urcd( I

(i)

Daraus erhält man die Gruppenlaufzeit TT dieses Teils des Netzwerkes gegenüber dem Basisbandsignal wie folgt:

Cd

1 +

R₁R

RR

Wenn die Größen C,, R₁ und R₉ so bestimmt werden, daß die Be ziehung R₁R₉

Cd

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- fi -

im Frequenzband des übertragenen Basisbandsignals- gilt, dann ergibt sich die Gruppen lauf zeit "C wie folgt:

R R

• τ * e

Aus Gleichung (3) geht hervor, daß die Gruppenlaufzeit proportional zur Sperrschichtkapazität Cd der Kapazitäts-Variations-Diode ist.

In Fig. 5 zeigt die durchgezogene Linie die Kennlinie für die Abhängigkeit der Kapazität Cd von der Eingangsspannung; dabei ist auf der Abszisse die Klemmenspannung der Kapazitäts-Variations-Diode und auf der Ordinate die Sperrschichtkapazität Cd aufgetragen. (An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, daß es viele Arten von Kapazitäts-Variations-Dioden gibt, die solche Kennlinien haben und die daher für ein Netzwerk -I¹+ gemäß vorliegender Erfindung geeignet sind). E bezeichnet in Fig. 5 die Vorspannung, die an der Kapazitäts-Variations-Diode anliegt, ν die Basisbandsignal-Spannung, die an der Kapazitäts-Variations-Diode Cd anliegt. C ist die Sperrschichtkapazität für ν = 0. Als geeignete Bauelemente für diesen Zweck stehen Kapazitäts-Variations-Dioden mit hyperabruptem Obergang an der " Sperrschicht und einer Konstante n, die in ·. einem gewissen Vorspannungs-

- frößer .v .

bereich oder gleich 2 (n> 2) ist, zur Verfügung. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, kann die Veränderung der Sperrschicht-Kapazität Cd in logarithmischer Darstellung in einem bestimmten Bereich der angelegten Spannung in Nähe der Klemmenspannung Eo durch eine gerade Linie (gestrichelt eingezeichnet) dargestellt werden. Mit anderen V/orten: Solange sich die angelegte Spann :ung in der Nähe von Eo befindet, kann die Sperrschichtkapazität Cd durch eine Funktion der über der Diode angelegten Spannung (Eo + v) in folgender Weise angenähert werden:

E + ν ~³
Gd = CoC-S- ) (M)

E
ο

309849/08 37 " ⁹ "

_ O —

Setzt man Gleichung (H) in Gleichung (3) ein, so erhält man

-n R₁R₉

(—J—£ ) (5)

Der Einfachheit halber sei nun angenommen, daß v/E ^ 1 ist. Dann erhält man:

= Co (1- η -£-) ( ί-2 ) (6)

^Eo V^R2

Die Gruppenlaufzeit T vom Punkt (a) zum Punkt (b) wird durch Gleichung (6) angegeben; in ihr ist ein Glied enthalten, das vom Verhältnis der Basisbandsignalspannung zur an der Kapazi- täts-Variations-Diode anliegenden Vorspannung (also von v/E ), abhängt. Man kann also dadurch, daß man das Verhältnis (v/E_q), die Polarität von v, sowie die Werte von R. und R₂ im Hinblick auf Co und η entsprechend wählt, die gewünschte Gruppenverlaufszeit proportional zu ν oder -v gewinnen.

Der Augenblickswert der Aplitude des Basisbandsignalspannung ν entspricht dem Augenblickswert der Frequenz des FM-Signals, das über den FM-Übertragungsweg übertragen wird. Wenn also die Kennlinie für die Abhängigkeit der Gruppenlaufzeit von der Frequenz im FM-Übertragungsweg nicht hinreichend flach ist, dann kann man auch die sich daraus ergebende Phasenverzerrung, die der Gruppenlaufzeitverzerrung zugeordnet wird, als eine Kenn-

die

linie, die Abhängigkeit der Verzögerungszeit von der Basisbandsignalspannung angibt, ausdrücken. Ist dann die Veränderung der von der Basisbandsignalspannung ν abhängigen Gruppenlaufzeit zwischen den Punkten (a) und (b) so eingestellt, daß die der Unebenheit der Laufzeitkennlinie zuzuordnende Verzerrung ausgeglichen wird, wird die Verzerrung des über das FM-Übertragungssystem zwischen Eingangsklemme 1 und Ausgangsklemme 10 übertragenen Signals kompensiert.

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- ίο -

Die Abhängigkeit der Amplitude von der Frequenz für den Schaltungsbereich zwischen den Punkten <a) und (b) ist für das Basisband fast flach, wenn „ _n

^K1^K9

krCd(-~-| ) 4: 1

K₁+R₂

gilt.

Die Kennlinie für die Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität Cd von v/Eo ist nicht linear. Man kann also für die Abhängigkeit der Laufzeit von der Signalspannung eine Kennlinie erzielen, die auch noch von dem Quadrat von ν oder -v oder sogar noch von Gliedern höherer Ordnung abhängt.

Das Netzwerk 14 nach Fig. 4 stellt lediglich ein Ausführungsbeispiel dar. Die erläuterten Funktionen können jedoch auch durch andere Schaltungen verwirklicht werden. Mögliche Abänderungen und Modifikationen zeigen die Fig. 6a und 6b. In der Schaltung nach Fig. 6a sind zusätzlich noch eine Kapazität C₁^ und ein Widerstand R₁^ vorgesehen; sie dienen dazu, die Übertragungseigenschaften im Basisbandbereich zu verbessern. Die Schaltung nach Fig. 6b sieht noch ein Filter mit Tiefpass-Charakteristik, das durch die Spule L und die Kapazität Cd gebildet wird, vor. In den Fig. 6a und 6b ist C» ein Ableitkondensator mit hinreichend hoher Kapazität. Aus den Schaltbildern ergibt sich, daft die Schaltungen so ausgebildet sind, daß die Kennlinie für Gruppenlaufzeit für das am Ausgang abgegebene Basisbandsignal ν in Bezug auf das am Eingang eingehende Signal v. auch mit einem Faktor von der an der Kapazitäts-Variations-Diode Cd anliegenden Basisbandsignalspannung, abhängt. Man kann auch statt dessen einen Kondensator mit fester Kapazität zusätzlich inReihe oder parallel zu der Kapazitäts-Variations Diode schalten, eine entsprechende Veränderung der Abhängigkeit der Gruppelaufzeit von der Signalspannung zu erzielen.

Das Prinzip der Erfindung wird im vorgehenden unter Bezugnahme auf Betriebsbedingungen beschrieben, bei denen der nicht-ebene Verlauf der Kennlinie des FM-Signalübertragungswegs durch

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Kompensationsmittel im Basisbandsignal-Obertragungsschaltkreis kompensiert wurde. Der Augenblickswert der Spannung des Basisbandsignals hängt dabei vom Augenblickswert der Frequenz des FM-Signals in einer bestimmten Beziehung ab, bzw. ist diesem proportional. Es handelt sich dabei um sog. quasistatische Betriebsbedingungen. Diese Erläuterung überzeugt ohne weiteres, wenn der Modulationsindex des FM-Signals sehr hoch ist. Ist der Modulationsindex aber klein, wie dies z.B. bei einem 2700-Kanal-Multiplex-Telefonsignal der Fall ist, das über ein FDM-FMrSystem (Frequenz-Multiplex, Frequenzmodulation) übertragen wird, da bei diesem die Frequenzabweichung pro Kanal im Zwischenfrequenzband 140 kHz rms (Effektivwert) und die Frequenz des höchsten Kanals im Basisband 12,336 kHz ist, dann erklärt die quasi-statische Vorstellung nicht mehr ohne weiteres die oben erwähnte Proportionalität des FM-Signals. Es kann jedoch experimentell nachgewiesen werden, daß die Erfindung auch bei FM-Signalen mit kleinem Modulationsindex wirksam eingesetzt werden kann.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer Rauschbeanspruchungsprüfung und der dabei gemessenen Testergebnisse. Dabei wurde ein Basisbandlaufzeitentzerrer nach der Erfindung bei einem 2700-Kanal-Multiplex-Telefon-Signalübertragungssystem, das nach dem Prinzip der Frequenzteilung und -modulation arbeitete, verwendet. Auf der Abszisse nach Fig. 7 ist im Dezibel der Belastungspegel mit weißem Rauschen eingetragen, das ein 2700-Kanal-Multiplex-Telefonsignal am Eingang für das auf der Sendeseite simuliert. Der Pegel von 0 Dezibel ist der Bezugspegel, der notwendig ist, um eine Frequenzabweichung von 140 kHz rms pro Kanal im Zwischenfrequenzband zu erreichen. Die Ordinate zeigt, ebenfalls in Dezibel, das ungewichtete Signal/Rausch-Verhältnis im Bereich von 12 150 kHz des höchsten Kanals im Basisband am Ausgang auf der Empfängerseite an. Die gepunktete Linie zeigt das Signal/Rausch-Verhältnis im Bereich von 12 150 kHz, das für den FM-Übertragungs^r;chaltkreis gemessen wurde , der eine Gruppenlauf zeitverzerrung

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von ungefähr U ns/jh 13 MHz aufweist. Die durchgezogene Kurve zeigt das Signal/Rausc_h-Verhältnis bei derselben Frequenz für denselben FM-Übertragungsschaltkreis nach Entzerrung der Gruppenlaufzeit mit Hilfe eines Basisbandlaufzeitentzerrers gemäß der Erfindung. Es ergibt sich, daß fast die gesamte Gruppenlaufzeitverzerrung der Glieder zweiter Ordnung äußerst wirksam ausgeglichen wird.

In dem in Fig. 3 gezeigten System ist der Basisbandlaufzeitentzerrer hinter dem FM-Demodulator eingesetzt. Er kann aber auch vor dem FM-Modulator eingesetzt werden. Werden in einem FMÜbertragungssystem in bestimmten Abständen Basisband-Leitungsverstärker (repeater) verwendet, in denen eine Demodulation stattfindet, dann können die Entzerrer nach vorliegender Erfindung in jedem derartigen Leitungsverstärker vorgesehen werden.

Der beschriebene Basisbandlaufzeitentzerrer, der zur Verwendung im Basisband-Übertragungsschaltkreis vorgehen ist, ist in seinem Aufbau äußerst einfach. Er ermöglich es, die Signalverzerrung, die der Gruppenlaufzeit zuzuordnen ist, zu kompensieren. Er ist daher insbesondere geeignet für die Übertragung von" Telefonsignalen in einem breiten Band mit Hilfe eines frequenzmodulierten,.nach dem Prinzip des Frequenz-Multiplex arbeitenden Übertragungssystems, sowie für die Übertragung von frequenzmodulierten Farbfernseh-Signalen.

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Claims

Patentanspruch

Basisbandlaufzeitehtzerrer für ein breites Frequenzband eines Basisbandsignals in einem nach dem Prinzip der Winkelmodulation arbeitenden Obertragungssystems, dadurch gekennzeichnet ₇ daß der Entzerrer (14) im Basisbandsignal-Übertragungskreis auf der Sende- oder der Empfangsseite des Obertragungssystems vorgesehen ist und ein Schaltelement mit veränderlicher von der Spannung des ihm zugeführten Basisbandsignals abhängiger Kapazität (Cd) aufweist, und daß das laufzeitentzerrte Basisbandsignal von diesem Element (Cd) abgeleitet wird, und daß ferner die Kapazität (Co) des Elementes (Cd) in Abwesenheit eines Basisbandsignals (v) durch eine einstellbare (15) an dem Element anliegende Vorspannung (Eo) bestimmt wird.

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