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Verfahren und Vorrichtung für die Frequennmultiplex-
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Info rmat i onsüb ertragung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
für die Frequenzmultiplex-Informationsübertragung, wobei Trägerfrequenzen verwendet
werden, die derart verkoppelt sind, dass jede Trägerfrequenz fn der Gleichung f
t £ + n.fII geneigt, in der fI und fii vorgegebene Frequenzwerte und n Jeweils eine
ganze Zahl sind, sowie auf eine Vorrichtung nur Durchführung dieses Verfahrens.
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Es ist bekannt, dass mit der angegebenen Trägerfrequenzverkopplung
die Auswirkungen gewisser, insbesondere durch Nichtlinearitäten dritter Ordnung
verursachter gegenseitiger Störungen verringert werden können. Dies wird nachstehend
an Beispiel der Breitbandübertragung von vielen Progranien in Kabelfernsehanlagen
erläutert.
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Bei der Auslegung einer Kabelfernsehanlage zwischen einer Kopfstelle
und einer Vlolsahl von Antennensteckdosen sind u.a. die gegenseitigen Störungen
der Programme durch Intermodulation zu berücksichtigen. Bei diesen Intermodulationsstörungen
sind solche der 3. Ordnung von grösster Bedeutung (Störungen verursacht durch kubische
Nichtlinearität
der Verstärker). Die Intermoduletionsstörungen 3.
Ordnung zeigen sich in Kabelfernsehnetzen in zwei verschiedenen Formen, nämlich
erstens als Kreuzmodulation (Uebertragung des Bildinhaltes eines störenden Programms
auf das gestörte Programm) und zweitens in der Form der sogen. "triple beats", d.h.
von Mischprodukten von drei Bildträgern f1 # f2 # f3, die als Noire im gestörten
Bild erscheinen. Es lässt sich zeigen, dass die zweite Störungsart wesentlich kritischer
ist und zwar in der Regel um etwa 15 bis 20 dB.
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Entscheidende Verbesserungen hinsichtlich der Störungswirkung von
triple beats und gleichzeitig eine Reduktion von Störungen 2. Ordnung können erzielt
werden durch eine Verkopplung der Bildträgerfrequenzen in der Art, dass alle Bildträgorfrequenzen
ganzzahlige Vielfache des Kanal abstandes sind (fn = n.fII). Diese sog. "harmonische
Verkopplung" führt dazu, dass alle Störungen durch triple beats und auch Intermodulationsstörungen
2. Ordnung synchron auf die Nutzträger zu liegen kommen Dadurch wird eine Reduktion
der Sichtbarkeit für den einzelnen Störer von mehr als 14 dß erreicht, da kein Störmoiré
mehr auftritt und nur die Modulation der Störträger ähnlich wie bei Kreusmodulation
in Brscheinung tritt. In den USA sind Kabelfernsehanlagen mit harmonischer Verkopplung
in Betrieb, vergl. die Artikel 'Phase phiddlingb von 1. Spitzer, vorgetragen an
der NCTA Gonvention 1974, und "Headend equipment designed for adjacentchannel operation
von G.S.H. Stubbs, vorgetragen am 9. Internationalen Fernsehsymposium Montreux 1975.
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Ein Nachteil der harmonischen Verkopplung besteht darin, dass dabei
grössere Abweichungen von den genormten Kanalfrequenzen akzeptiert werden müssen.
Bine engere Anpassung ist möglich durch "inkrementale Verkopplung", bei der alle
Blldträgerfrequenzen wie bei der harmonischen Verkopplung in genau gleichen Abständen
angeordnet sind, jedoch mit frei gewählter
Anfangsfrequenz fI des
Rasters: fn - fI + n.fII. Bei der inkrementalen Verkopplung fallen alle triple beats
der Form Q + f2 - f3 synchron auf die Nutzträger und werden dadurch in der Störungswirkung
reduziert. Triple beats der Form f1 + f2 + f3 oder £1 - f2 - e £3, die allerdings
nur in kleinerer Anzahl und bei den Randkanälen des Uebertragungssystems auftreten,
sind nicht synchronisiert, ebenso nicht die Störungen 2. Ordnung £1 + f2. Es ist
jedoch möglich, die Wirkung dieser Störungen durch geeignete Wahl von f1 und fII
zu reduzieren (sogen. "Offset", vgl. den Artikel "Interference in multichannel systems
considering various channol allocations" von M. Christoph, vorgetragen am 10. Internationalen
Fernsehsymposium Montreux 1977).
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Während nun aber bei einem System ohne Trägerfrequensverkopplung
die Frequenzen und Phasen der Nutzträger nicht korreliert sind, so dass für die
Berechnung von Summenamplituden von einer Leistungsaddition ausgegangen werden kann,
hängt die Summenamplitude bei Systemen mit Trägerfrequeniverkopplung von der Phasenlage
der Träger ab. Ungünstige Phasenlagen der Träger können folgende unerwünschte Auswirkungen
haben: Durch Spannungsaddition der über einen Verstärker übertragenen Nutzträger
kann eine sehr viel grössere Aussteuerungsamplitude auftreten als bei der Leistunhgsaddition
in Anlagen ohne Trägerfrequenzverkopplung. Die Beanspruchung eines grösseren Bereiches
der Verstärkerkennlinie oder gar eine Uöbersteuerung des Verstärkers führen in der
Regel zu stärkerer Intermodulation.
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Ferner ist bei ungünstiger Phasenlage eine Spannungsaddition aller
auf eine bestimmte Frequenz fallenden Intermodulationsprodukte möglich, wodurch
u.U. eine wesentlich höhere Störamplitude auftritt als bei Leistungsaddition oder
sogar Kompensation bei besonders günstiger Phasenlage. Bei
nicht
synchronisierten Störträgern, z.B. Störungen 2. Ordnung und zum Teil auch 3. Ordnung
bei inkrementaler Verkopplung, führt dies dann direkt zu einer grösseren Störwirkung.
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Bei synchronisierten Störungen muss unterschieden werden zwischen
den Störträgern und ihren Modulationsseitenbändern (da alle Nutzträger moduliert
sind, sind auch die Störträger moduliert). Die Störträger selbst verursachen wegen
der Synchronisation mit dem Nutaträger keine Störung, so dass die Summenamplitude
ohne Bedeutung wäre, Es kann aber gezeigt werden, dass die in dieses Fall für die
Störung massgebenden Modulationsseitenbänder sich ebenfalls zu einer grösseren Amplitude
addieren, wenn die Träger die grösste Summenamplitude haben. Dieser Zusammenhang
wirkt sich am schlimmsten aus für den Fall, dass die meisten Nutaträger mit dem
gleichen Programm moduliert sind, was in der Praxis durchaus möglich ist, z.B. bei
Anlagen mit Eigentestbildeinrichtung.
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Die ungünstigsten Phasenlagen, bei denen eine volle Spannungsaddition
von Nutz- und Störträgern auftritt, sind s.B. für die harmonische Verkopplung gegeben
bei einem Nutsträgerraster un = cos n.(#t + #).
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Eine Möglichkeit zur Ermittlung von Bedingungen für günstige Phasenlagen
bilden experimentelle Untersuchungen, wie in dem schon genannten Artikel Phase phiddling"
auf Seite 15 beschrieben.
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Theoretische Untersuchungen aus dem Bereich des Kabelfernschens sind
nicht bekannt. Bs gibt aus anderen Bereichen (Trägerfrequenstelephonie, Sprachsynthese)
Untersuchungen zum gleichen Theta, wobei die Aufgabe in allgemeiner Fori so definiert
wird, dass für ein periodisches Signal mit gegebenem Leistungsspektrun solche Phasenwinkel
gefunden werden sollen, die zu einer möglichst kleinen Spitzenamplitude des Gesamtsignals
führen. (Vergl. die Artikel "Synthesis of low-peakfactor signals and binary sequences
with low autocorrelation" von M.R. Schroeder in IEEE Trans. Inform. Theory (corr.),
Band
I T-16, Januar 1970, und "Minimization of the maximu amplitude in frequency multiplexing"
von D.R. anderson in Proc. IRE (corr.), Band 49, Januar 1961).
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Eindeutige Phasenbeziehungen zur Erzielung kleinster Intermodulationsstörungen
beim Kabelfernsehen sind Jedoch nicht bekannt.
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Aber selbst wenn solche Phasenwinkel aus experimentellen oder theoretischen
Untersuchungen bekannt wären, wäre ihre Anwendung in der Praxis des Kabelfernsehens
kaum möglich. Die heute sur Verfügung stehenden Kopfstellengeräte gestatten weder
die Einstellung einer bestimmten Phase ei Ausgang, noch halten die zur Erzielung
der Trägerfrequensverkopplung eingebauten Phasenregelschaltungen (phase lock) eine
einmal vorhandene Phase genügend konstant. Phasenkonstanz wäre allenfalls nur mit
unverhältnismässigem Aufwand zu erreichen. Zudem geht die Phasenlage der Träger
ei Ausgang der Kopfstelle durch frequenzabhängige Laufzeitunterschiede im Kabelfernsehnetz
wieder verloren. Auch besteht überhaupt keine im Kabelfernsehen eingeführte Messtechnik
sur Bestimmung der Phasenlagen.
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Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, auf anderem Wege
dafür zu sorgen, dass bei der Frequenzmultiplex-Informationsübertragung unter Verwendng
verkoppelter Trägerfrequenzen die beschriebenen, durch ungünstige Phasenlagen verursachten
Nachteile nicht auftraten kann.
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Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass di. Phase jedes Trägers
gewobbelt wird.
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Es wird also darauf verzichtet, bei jedem Träger eine bestimmte Phasenlage
einzustellen und konstant zu halten.
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Stattdessen wird dafür gesorgt, dass die Phasen der einzelnen Träger
völlig unkorreliert sind. Aehnlich wie bei nicht verkoppelten, unkorrelierten Trägerfrequenzen
vermeidet man so mit Sicherheit jede spannungsmässige Summierung und erhält
eine
Leistungsaddition von Nutz- und Störträgern.
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Natürlich sollte man die Phasen der einzelnen Träger Zweckmässig
nicht synchron wobbeln; vorzugsweise wird für jeden Träger Je ein eigener, unabhängiger
Wobbelsignalgenerator verwendet. Die Wobbelsignalgeneratoren können mit einigen
verschiedenen Frequenzen z.B. im Bereich von etwa 1 Ha arbeiten. Die Wobbelsignale
können sinusförmig sein oder eine beliebige andere Form haben, z.B. dreieckförmig,
stufenförinig usw.
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Mit der Erfindung bleiben die Vorteile der Trägerfrequenzverkopplung
vollständig erhalten. Der gefährliche Zustand der gleichphasigen Addition wird sicher
vermieden. An die Phasenkonstanz der Kopfstelle oder des Uebertragungsnetzes werden
keinerlei Ansprüche gestellt. Eine Messung der Einselphasen ist nicht erforderlich.
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Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung seigt ein Blockschema einer einzelnen Station
in der Kopfstelle einer Kabelferns@hanlage Die dargestellte Station A enthält einen
ersten Oszillator 1 und eine Mischstufe 2, in der ein von ein« Eingang 3 sugefUhrter
hochfrequenter Träger mit aufmoduliertem Fernsehsignal in eine Zwischenfrequens
fz umgesetzt wird. Das Zwischenfrequenzsignal wird dann verstärkt und aufbereitet
(nicht dargestellt} und in einer weiteren Mischstufe 4, die von eines zweiten Oszillator
5 gesteuert ist5 wieder in ein Hochfrequenzsignal mit einer Frequenz fa umgesetzt,
welches über einen Auagang 6 einem Kabelfernsehnetz zugeführt wird.
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Die Frequenz fa des Ausgangasignals ist auf einen Wert einer Referenzfrequenz
geregelt, die von einem Referenzfrequenzgenerator R erzeugt wird, und zwar wie folgt.
Die Frequenz fa' des quarzgesteuarten Ossillators 5 wird in einer Mischstufe 7 mit
der Referenzfrequenz fra überlagert, um eine
Referenz-Zwischenfrequenz
fzr = fa' - fra zu erzeugen. In einer Phasenvergleichsschaltung 8 wird die Phase
der Referenz-Zwischenfrequenz fzr mit der Phase der Zwischenfrequenz f z verglichen
und auf einer Leitung 9 eine Nachstimmspannung erzeugt, sobald die Phase abzuweichen
beginnt. Die Nachstimmspannung steuert die Frequenz des Oszillators 1 und damit
(über die Mischstufe 3) die Zwischenfrequenz fz im Sinne einer Verringerung des
Phasenunterschiedes zwischen fz und fzr' womit die Zwischenfrequenz f1 genau auf
dem Wert der Referenz-Zwischenfrequenz fzr gehalten wird: fz = fzr. Die Frequenz
des Ausgangssignals f " f@' - f5 wird so auf dem Wert fra gehalten, da fa' = fzr
+ fra ist (s. oben) und fz = fzr geregelt wird.
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Die Kopfstelle einer Kabelfernsehanlage enthält eine Mehrzahl von
Stationen, die analog zur dargestellten Station A aufgebaut sind und denen der Referenzfrequenzgenerator
R gemeinsam zugeordnet ist. Der Referenzfrequenzgenerator erzeugt eine entsprechende
Mehrzahl von miteinander verkoppelten Referenzfrequenzen frn' die in gleichen Abständen
voneinander liegen: frn = fI + n.fII (n = ganze Zahl, fI und fII = feste Frequensworte).
Die Trägerfrequenzen fn der Ausgangssignale aller Stationen sind dann natürlich
wegen der beschriebenen Regelung in gleicher Weise miteinander verkoppelt: fn =
fI + n.fII.
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Um die eingangs geschilderten Nachteile zu vermeiden, die bei ungünstigen
gegenseitigen Phasenlagen der Ausgangssignale auftreten könnten, werden die Phasen
aller Ausgangssignale unabhängig voneinander gewobbelt. Hierzu enthält Jede Station
einen eigenen Wobbelsignalgenerator 10, der ein Wobbelsignal erzeugt, welches in
einer Summierschaltung 11 zu der dem Ossillator 1 zugeführten Nachsimmspannung addiert
wird.
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Natürlich sind fur die Regelung der Frequens fa des Ausgangssignals
auch andere Schaltungsvarianten möglich. So kann Zum Beispiel der Oszillator 5 nachgestimmt
werden und der Oszillator 1 fest eingestellt sein, oder die Nachstimmschaltung kann
ohne den Umsetzer 7 ausgeführt werden (Phasenvergleich direkt zwischen f und fra).
Auch bei diesen Varianten kann jeweils ohne weiteres der Nachstimmspannung ein Wobbelsignal
überlagert werden.