DE3734316A1 - Verfahren zur erzeugung phasenverschobener wechselstroeme gleicher und/oder einer vielfachen frequenz, insbesondere fuer fernmeldeanlagen - Google Patents

Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung phasenverschobener Wechselströme gleicher und/oder einer vielfachen Frequenz, insbesondere für Fernmeldeanlagen.

In der Hauptanmeldung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Frequenz- und/oder Phasenänderungen bei Wechselströmen offenbart, bei dem Mittel vorgesehen werden, die ein periodisches Signal, wie z. B. Rechteckimpulse, in einer ununterbrochenen Folge erzeugen, wobei Codeschaltmittel so angeordnet sind, daß sie in Zusammenwirken mit den Impulserzeugern die Impulsdauern und damit die Phase bezw. Frequenz der Impulsfolge gegenüber der Phase bezw. Frequenz einer Bezugsphase bezw. Frequenz verändern, außerdem sind Siebmittel vorgesehen, die das periodische Signal, z. B. die Rechteckimpulse in einen sinusförmigen Wechselstrom gleicher Frequenz, oder einer Oberwellenfrequenz umwandeln.

Die vorliegende Zusatzanmeldung stellt sich nun die Aufgabe, die Erzeugung von Phasenverschiebungen, wie sie z. B. bei der Phasenmodulation benötigt werden (z. B. bei der Vierphasenmodulation die Quadraturmodulation) auf einfache Art auf dem Prinzip der Hauptanmeldung durchzuführen. Dies wird durch die im Patentanspruch 1 offenbarte Lehre erreicht.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist der, daß nur der Schwingungserzeuger stabil gehalten werden muß. Die dabei verwendeten Zählschaltungen unterliegen keiner Materialalterung, keinen Fertigungstoleranzen- und Wärmetoleranzen, wie z. B. die gängigen Phasenschieber. Auch was den Aufwand anbelangt, so ist dieser wesentlich geringer als bei den herkömmlichen Schaltungen.

Nachstehend wird nochmals an Hand der Fig. 1 bis 7 die Hauptanmeldung und an Hand der Fig. 8 bis 12 die Zusatzanmeldung erläutert. In diesen sind dargestellt:

Fig. 1 eine Schaltung für eine stufenweise Phasenänderung,

Fig. 2 ein Vektordiagramm einer stufenweisen Phasenänderung ohne Amplitudenänderung,

Fig. 3 die Wirkung der Bandbegrenzung bei Rechteckimpulsen,

Fig. 4 eine Darstellung von Impulsdauern verschiedener Frequenz,

Fig. 5 eine Darstellung eines Rechteckimpulses mit stufenweiser Impulsänderung,

Fig. 6 ein Schaltungsbeispiel zur Erzeugung verschiedener Impulsdauern und ggf. Amplitudenstufen,

Fig. 7 eine Anschaltung der Impulse an den Übertragungsweg,

Fig. 8 ein Vektordiagramm für 15 Grad Phasenstufen,

Fig. 9 eine Steuerung der elektronischen Schalter für die Phasenstufen,

Fig. 10 eine Phasenstufenerzeugung mit 180 Grad Vektoränderung von sin und cos,

Fig. 11 erfindungsgemäße Erzeugung von vorbestimmten Phasenverschiebungen,

Fig. 12 Anwendung der Erfindung bei der Fernsehfarbübertragung.

In der Fig. 1 ist eine Phasenmodulation dargestellt, bei der die Phasenänderung stufenweise erfolgt. Dies hat den Vorteil, daß sich während des Phasensprunges die Frequenz kaum ändert. Der Codierwechselstrom wird im Oszillator Osc erzeugt und einmal direkt an die Anordnung von Schaltern ES und einmal über einen Phasenschieber Ph von 90 Grad geführt. In die Stromkreise der beiden um 90 Grad gegeneinander verschobenen Wechselströme werden mit Hilfe elektronischer Schalter eS 1 bis eSn und es 11 bis es 11 n Widerstände geschaltet. Mit diesen Widerständen wird die Größe der Vektoren u und v, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, festgelegt. Die beiden Wechselströme werden dann im Addierer Ad zusammengefaßt und als ein Wechselstrom derselben Frequenz wie u und v an den Übertragungsweg geschaltet. Die elektronischen Schalter ES werden vom Codierer Cod aus gesteuert. An den Codierer Cod ist der jeweilige Code angeschaltet. Damit die Umschaltung immer beim Nulldurchgang des Summenwechselstromes erfolgt, ist ein Abzweigstromkreis über einen Begrenzer vorgesehen, es kann auch ein Schmitt-Trigger sein, in dem aus den Halbwellen Impulse Js erzeugt werden. Mit diesen wird der Codierer synchronisiert. Durch die Bemessung der Widerstände es 1 bis eSn und eS 11 bis eS 11 n kann man den Phasenwinkel bestimmen und ggf. auch zusätzlich eine Amplitudencodierung vorsehen. In Fig. 2 ist hierzu ein Beispiel eines Vektordiagramms dargestellt. u sei der Ausgangswechselstrom. In 3 Stufen soll ohne Amplitudenänderung der Phasensprung mit dem Winkel x eingestellt werden. u, us 1, us 2 und us 3 sind also gleich groß. Um dies zu erreichen muß man gleichzeitig u und v ändern, und zwar u 1/v 1, u 2/v 2 und u 3/v 3. Bei einer zusätzlichen Amplitudencodierung ist also eine gute Auswertung möglich, bzw. bei einer reinen Phasencodierung kann die Bandbreite klein gehalten werden. Gemäß der Erfindung kann die Phasen- und ggf. Amplitudenänderung noch einfacher gestaltet werden, und zwar werden im Beispiel die Phasen- und Frequenzänderungen und ggf. zusätzliche Amplitudenänderungen mit Hilfe von Impulsen erzeugt. An Hand der Fig. 3 soll dies näher erläutert werden. Auf der Sendeseite S werden Rechteckimpulse mit einer Frequenz von 1 MHz angeschaltet. Wird in den Übertragungsweg ein Tiefpaß von 5,5 MHz eingeschaltet, erhält man beim Empfänger noch beinahe einen Rechteckimpuls, werden dagegen 3,5 MHz eingeschaltet, ist die Flankensteilheit nicht mehr erhalten, wird der Tiefpaß TP auf 1,5 MHz reduziert, so erhält man beim Empfänger einen sinusähnlichen Wechselstrom. Aus dem Empfangssignal ist ersichtlich, daß sich die Periodendauer nicht ändert, d. h. man kann bei den Rechteckimpulsen die Periodendauer verändern und damit die Phase bzw. Frequenz des empfangenen Signals bestimmen und dabei noch eine schmalbandige Übertragung vornehmen, da bei der Auswertung nur die Periodendauer von Bedeutung ist. In der Fig. 4 ist eine Impulsserie mit den Frequenzen f, f 1 und f 2 dargestellt. Bei der Anordnung nach der Fig. 3 würde man gleiche Periodendauern auf der Empfangsseite wie auf der Sendeseite erhalten, d. h. man hätte damit die entsprechenden Phasen- bezw. Frequenzsprünge ausgewertet. Damit die Frequenzänderungen bei solchen Phasensprüngen klein gehalten werden können, wird man Phasensprungstufen einschalten. In Fig. 5 ist schematisch dies aufgezeichnet. T/2 ist die Halbperiodendauer eines Impulses. T/2 stellt einen Phasenwinkel von 180 Grad dar. Dieser Winkel wird in 36 Stufen zu je 5 Grad eingeteilt. Soll ein Phasensprung von 40 Grad zustandekommen, so wird die Halbperiode T/2 4mal um 5 Grad gekürzt und die andere Halbperiode ebenfalls, und zwar indem ein Impuls T 4/2 4mal gesendet wird. Die Halbperiodendauer gegenüber dem Bezugsimpuls ist dann T 1/2. Man kann nun entweder die Frequenz von T 4/2 belassen oder aber wieder auf die Frequenz der Halbperiodendauer T/2 durch einen Phasensprung von 5 Grad umschalten. In der Fig. 1 erfolgt eine solche Zurückschaltung auf die Ursprungsfrequenz automatisch, sobald keine Widerstandsänderung mehr durchgeführt wird. Der Verwendungszweck bestimmt dann, ob man die eine oder andere Schaltung verwendet. In der Fig. 6 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es wird z. B. angenommen die Periodendauer wird in 72 Stufen unterteilt, und zwar mit Phasensprungstufen von 5 Grad. Jeder Stufe sollen 10 Meßimpulse zugeordnet werden - es können auch andere Werte wie z. B. 100 hergenommen werden - so sind für die Bezugsperiodendauer 72 × 10=720 Meßimpulse und für die Halbperiodendauer 360 Meßimpulse erforderlich. Sollen die Änderungen bis zu 10 Stufen aufgeteilt werden, sind 7200 Meßimpulse bei Messung der Periodendauern erforderlich, und zwar bei der Auswertung auf der Empfangsseite. Auf der Sendeseite werden im Beispiel nur Halbperioden codiert. Werden immer nur 5-Grad-Stufen vorgesehen - man kann diese für die Codierung auch ändern in jede beliebige Gradzahl - so sind für eine Halbperiode, wenn die Änderung voreilend sein soll, 350 und bei einer nacheilenden Änderung bezw. Phasenverschiebung bezw. Verkleinerung der Frequenz 370 Meßimpulse erforderlich. Das Zählglied Z in Fig. 6 muß also mindestens 370 Ausgänge haben. Die Codierfrequenz hängt also von der Meßimpulsfrequenz ab. Im vorliegenden Fall wird im Oszillator der Steuerwechselstrom mit dem die Meßimpulse gewonnen werden, erzeugt. Man kann damit unmittelbar über das Gatter G 1 das Zählglied steuern, oder aber erst Impulse mittels eines Schmitt-Triggers oder einer anderen Schaltung erzeugen und mit diese dann das Zählglied steuern. Durch Veränderung der Oszillatorfrequenz hat man auch die Möglichkeit, die Impulsdauer zu ändern. Angenommen wird Z 2 markiert 370 Meßimpulse, also die nacheilende Phasenverschiebung, dann wird vom Codierer Cod über g 2 ein solches Potential an den Eingang des Gatters G 2 gelegt, daß bei Erreichen des Zählgliedes Ausgang Z 2, an dem dann ebenfalls ein solches Potential liegt, daß das Potential des Ausganges von G 2 sich verändert, z. B. von h auf l überspringt. Im elektronischen Relais ER hat dies zur Folge, daß einmal plus-Potential und beim nächsten Durchlauf des Zählgliedes Z ein minus-Potential an den Ausgang gelegt wird, sodaß dort Impulse J entstehen. Das wiederholt sich solange, bis der Codierer Cod von g 2 das Potential wieder wegnimmt. Sind z. B. 5 Phasenstufen vorgesehen, so wird das Zählglied 10mal bis Z 2 geschaltet. Beim Ausgang Z 2 erfolgt die Rückschaltung des Zählgliedes über das Gatter G 4, R. Durch die Ausgänge am Zählglied und/oder durch Veränderung des Oszillators können die Impulsdauer, die Stufenzahl, die Größe der Stufen eingestellt werden. Die Steuerung dieser Größen erfolgt durch den Codierer Cod, über fA kann die Oszillatorfrequenz, über die g-Anschlüsse die Stufenzahl und die Stufengröße eingestellt werden. Dann besteht noch die Möglichkeit, die Amplituden der Impulse zu ändern, und zwar vom Codierer Cod aus über die Verbindung A zum elektronischen Relais ER. Im Beispiel sind plus-Impulse + und (A)+ und minus-Impulse - und (A)- vorgesehen. Die Länge der Impulse wird also über die Gatter G 2, G 3, . . . und die Amplitude derselben direkt vom Codierer Cod aus über den Anschluß A bestimmt. In Fig. 7 werden nun die Impulse, wie auch bereits in der Fig. 3 dargestellt, über Siebmittel TP, Fi unter Zwischenschaltung des Übertragers Ü auf den Verbindungsweg gegeben. Auf der Empfangsseite kommt dann ein sinusähnlicher Wechselstrom an, der wenig Bandbreite benötigt. Die Codierung kann durch voreilende, nacheilende, keine Phasenverschiebung erfolgen. Die Amplituden können auch stufenweise geschaltet werden. Eine weitere Codierung kann man in der Weise erhalten, indem man eine Änderung beim positiven Impuls oder beim negativen Impuls beginnen läßt.

Bei einer periodischen Schwingung kann man auch eine Harmonische aussieben. Wird dies bei Rechteckimpulsen bei der 3. Harmonischen z. B. gemacht, so sind 3 Perioden in einem plus/minus- Impuls enthalten. In diesen 3 Periodendauern sind dann auch, wenn die Impulsdauer verändert wird, die Phasenverschiebungen enthalten.

In Fig. 6 muß am Gatter G 1 immer über B ein Beginnpotential liegen, damit die Impulse am Zählglied wirksam werden. Zusätzlich zur Phasencodierung kann man eine Amplitudencodierung und noch durch die Zahl der Rechteckimpulse die in der jeweiligen Codierung enthalten sind, vorsehen.

Auf der Empfangsseite erfolgt die Auswertung durch Abmessung der Halbperioden- bezw. Periodendauern (siehe auch europäische Patentanmeldung 01 97 529).

Gemäß der Fig. 6 ist es also möglich, eine stufenweise Phasen- bzw. Frequenzänderung vorzunehmen. Man kann dabei die Stufen sehr klein wählen, je mehr man am Zählglied Ausgänge vorsieht, desto feiner werden die Phasen- bezw. Frequenzstufen. Die Phasen- bzw. Frequenzänderung kann natürlich nur in die Halbwellen gelegt werden. Phasensprünge, wie sie bei der 4-Phasenmodulation notwendig sind, können z. B. entsprechend der Fig. 4 erfolgen. Diese Sprünge kann man auch auf die Halbperioden übertragen.

In den verschiedensten Schaltungen, wie z. B. bei der Quadratur- Amplitudenmodulation, werden 90 Grad phasenverschobene Wechselströme benötigt. In der Fig. 11 ist das Schaltungsprinzip zur Erzeugung solcher phasenverschobener Wechselströme gleicher Frequenz dargestellt. Entsprechend der Fig. 6 wird das Zählglied Z durch einen Wechselstrom, der im Oszillator Osz erzeugt wird, über das Gatter G gesteuert. Am Gatter muß noch ein Beginnpotential B vorhanden sein, damit die Wechselstromhalbwellen - für die Steuerung kann man die positive oder negative Halbwelle oder beide vorsehen - als Steuerimpulse am Zählglied Z zur Wirkung kommen können. Im Beispiel sollen 4 Rechteckimpulse erzeugt werden, die gegeneinander um 90 Grad phasenverschoben sind. Hat das Zählglied 100 Ausgänge, so sind beim 25., 50. und 75. Ausgang elektronische Relais ER 1 bis ER 4 anzuschalten. Mit diesen werden dann, wie bereits in der Fig. 6 beschrieben, Rechteckimpulse getastet, und zwar jeweils solche um 90 Grad phasenverschoben. Jedem elektronischen Relais ist dann ein solches Filter zugeordnet, das entsprechend der Fig. 3, am Ausgang ein Wechselstrom mit der Frequenz der Rechteckimpulse abgenommen werden kann, und zwar sind diese 4 Wechselströme gegeneinander um 90 Grad phasenverschoben. Am elektronischen Relais ER 1 ist noch ein Filter Fi 0 angeordnet, das z. B. nur die 3. Oberwelle des Rechteckimpulses durchläßt, sodaß man hier die 3fache Frequenz der Rechteckimpulse erhält. Die Phasenverschiebung wird dann auf 3 Perioden verteilt. In den Fig. 8 und 10 sind Anordnungen dargestellt, bei denen zwei um 90 Grad phasenverschobene Wechselströme gleicher Frequenz benötigt werden, wie sie z. B. in der Fig. 11 erzeugt werden. U ist der sin- und V der cos-Wechselstrom. Im Vektordiagramm der Fig. 8 ist ein Phasensprung von 45 Grad dargestellt, der mit Hilfe von 3 Phasensprungstufen von je 15 Grad ausgeführt wird. Damit dabei keine Amplitudenänderungen entstehen, werden die Amplituden beider Vektoren gleichzeitig geändert. Angenommen wird, es soll ein voreilender Phasensprung von 45 Grad erfolgen von U nach US. Dies erfolgt mit den 3 Stufen. Die 1. Stufe wird mit UR 1/VR 1, die 2. mit UR 2/VR 2 und die 3. Stufe mit UR 3/VR 3 geschaltet. Die Amplituden U, US 2, US 1, US bleiben dabei immer gleich groß. Würde man von U ausgehend eine nacheilende Phasenverschiebung codieren, müßte der cos= v einen Phasensprung von 180 Grad machen. Die 1. Stufe ist hier nur eingezeichnet, wäre dann UR 1/-VR 1.

In Fig. 10 ist eine Schaltung zur Erzeugung dieser Phasenstufen dargestellt. Beim Phasensprung U nach US werden mit Hilfe elektronischer Schalter S 1-S 3 und SRv, SRu Widerstände eingeschaltet, mit denen die Größe der Vektoren der Fig. 8 bestimmt wird. Bei US 2 wird z. B. mit S 2 UR 2 und VR 2 eingeschaltet. Bei U ist z. B. nur der Widerstand UR über SRu angeschaltet, während der cos-Wechselstrom vollkommen abgeschaltet ist. Die Schalter Sv und Su sind normal geschlossen. Diese werden nur geöffnet, wenn ein Phasensprung von 180 Grad beim u- oder/und v-Vektor erforderlich ist. Soll z. B. der Vektor -US 2 erzeugt werden, so wird der elektronische Schalter Sv geöffnet, und die Schalter sv an den Übertragerwicklungen von Ü 2 geschlossen. Der Übertrager Ü 2 ist nun in den cos-Stromkreis eingeschaltet. Durch diesen wird ein Sprung von 180 Grad erzeugt. Man kann z. B. dies auch durch einen einstufigen Verstärker (Inverter) bewerkstelligen. Bei -US 2 ist also der Übertrager Ü 2 eingeschaltet, VR 1 mit S 1 und UR 1 mit S 1 eingeschaltet. Su ist dabei geschlossen und die beiden su am Übertrager Ü 1 offen. Falls erforderlich kann man in den Sekundärstromkreis der Übertrager Filter zur Aussiebung der Oberwellen einschalten. Die übrigen Schaltvorgänge sind analog wie in der Fig. 1 beschrieben. Wie z. B. eine Steuerung der elektronischen Schalter der Fig. 10 aussehen kann, ist in der Fig. 9 dargestellt. In der Fig. 9a wird ein Grundbinärschritt mit einem Phasensprung von 45 Grad codiert, und zwar der Kennzustand 1 voreilend und der Kennzustand 0 nacheilend. Jedem Sprung werden 3 Phasenstufen von 15 Grad zugeordnet. Dieses Signal wird in Fig. 9b den Gattern G 1 und G 3 zugeführt. Jedem Schritt sind synchron 3 Meßimpulse JM zugeordnet. Ist der Kennzustand 1=h vorhanden, wird das Gatter G 1 wirksam, dessen anderer Eingang an Meßimpulse JM geschaltet ist. Jedem Schritt sind 3 Meßimpulse, hier entsprechend der 3 Phasenstufen zugeordnet. Diese sind synchron mit der Schrittfrequenz geschaltet. Das Gatter G 2 kehrt das Potential um, so daß das Zählglied Z 1 mit h-Impulsen gesteuert wird. An die jeweiligen Ausgänge ist ein Codierer Cod-v angeschaltet, der in Abhängigkeit von der Ausgangsstellung des Vektors die entsprechenden elektronischen Relais S 1-S 3 und SRv bezw. SRu schaltet. Am 3. Ausgang des Zählgliedes Z 1 ist eine Zählgliedrückschaltung vorgesehen. An den 2. Eingang von G 5 sind dabei die negativen Meßimpulse so angeschaltet, daß sie h ergeben. G 6 macht einen Potentialwechsel, so daß die Rückstellung über R mit h erfolgt. Mit l-Impulsen des Signals wird das G 3-Gatter gesteuert. An den anderen Ausgang sind ebenfalls Meßimpulse JM über ein Potentialumkehrgatter G 4 geschaltet. Z 2 wird dann auf dieselbe Weise gesteuert wie Z 1. Mit Hilfe der Code 1, 2, 3 werden dann in Abhängigkeit von der jeweiligen Phasensprungausgangsstellung die entsprechenden elektronischen Schalter in Fig. 10, S 1, S 2, S 3, ESV, SRv, SV, S 1, S 2, S 3, ESn, SRu, Su betätigt. Bei Phasensprüngen von 45 Grad müssen insgesamt 8 Ausgangsstellungen gespeichert werden. Bei 30 Grad sind es 12 Ausgangsstellungen. Die jeweilige Ausgangsstellung kann auch beliebig gelegt werden, zweckmäßig jedoch so, daß die Sprungstufen auf u, -u, v und -v fallen, wenn Phasensprünge von 180 Grad in die Sprungstufen fallen.

In Fig. 12 ist noch eine Anwendung der Phasencodierung bei der Codierung der Farbsignale dargestellt. Das BAS-Signal wird herkömmlich oder nur mit einem Wechselstrom nach der Patentanmeldung P 32 23 312.4 codiert und über einen Entkoppler unter Zwischenschaltung eines Modulators Mo und eines Filters zur Aussiebung des oberen oder unteren Frequenzbandes über nicht eingezeichnete Stufen der Endstufe Kly zugeführt. Das Farbsignal rot wird mit 6 Schritten und blau mit 5 Schritten codiert. Ein Schritt ist für die Codierung der Sprache vorgesehen. Die Grundfrequenz für die 12 bit mit Phasenstufen und des Farbträgers TrF wird so gewählt, daß sie mit Hilfe des Modulators Mo, nach dem Phasencodierer Mph und dem Filter FiF und dem Entkoppler im Kanal die richtige Lage einnimmt. Durch die Phasenstufencodierung wird das Band schmal.

Claims (3)

1. Verfahren zur Erzeugung phasenverschobener Wechselströme gleicher oder einer vielfachen Frequenz, insbesondere für Fernmeldeanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß hierfür eine Zählanordnung vorgesehen wird, die insbesondere durch die Halbwellenimpulse eines Wechselstromes gesteuert wird (Fig. 11 Osz), mit der die gewünschte Phasenlage durch das Verhältnis der Gesamtausgangszahl zu 180 Grad und der Ausgangszahl zur gewünschten Phasenverschiebung gegeben ist, wobei in diesen vorbestimmten Ausgängen elektronische Schaltmittel angeordnet werden, die bei jedem Überlaufen des jeweiligen Ausganges einen unipolaren oder bipolaren Rechteckimpuls erzeugen und daß diese Rechteckimpulse über solche Filter geschaltet werden, daß ein sinusförmiger Wechselstrom der Rechteckgrundfrequenz und/oder einer Harmonischen der Grundfrequenz entsteht.

2. Verfahren zur Erzeugung von Phasensprüngen oder Phasensprungstufen, vorzugsweise auf der Basis der Differenzphasenmodulation, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Basis der Quadraturmodulation erforderlichen 180 Grad Phasensprünge der sin und cos Grundwechselströme in der Weise erzeugt werden, indem in diese Wechselstromkreise Mittel eingeschaltet werden, die eine 180-Grad-Phasenverschiebung hervorrufen, insbesonders Übertrager oder einstufige Verstärker.

3. Verfahren für die Codierung der Farbe beim Fernsehen auf der Basis der Phasenmodulation, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasensprungcodeelemente in Phasensprungstufen unterteilt werden, wobei die Codeelemente für die jeweilige Farbe und des Tones seriell geordnet werden, und die vorbestimmte Lage im Kanal durch Wahl eines entsprechenden Farbträgers erfolgt (Fig. 12, TrF).