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Verfahren zur Amplitudenmodulation Die Erfindung bezieht sich auf
eine Schaltungsanordnung zur Amplitudenmodulation. Es ist bekannt, zum Zwecke der
Modulation zwei Wellen gleicher Frequenz zu überlagern und die Phasen der beiden
Wellen gegeneinander um einen gewissen Betrag im Takte der Modulationsschwingung
zu verschieben. Im Überlagerungskreis ergibt sich dann eine amplitudenmodulierte
Welle von der Frequenz der überlagerten Wellen. Bei den bisher bekannten Mitteln
für die Änderung der Phasen der beiden Wellen im Takte der Modulationsfrequenz ist
es jedoch nicht möglich, eine geradlinige Modulation herbeizuführen..
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Gemäß der Erfindung erhält man bei dem erwähnten Modulationsverfahren
eine vollkommen geradlinige Modulationskennlinie, wenn man zur Erzeugung der notwendigen
Phasenverschiebung Einrichtungen benutzt, die den Cosinus des Phasenwinkels annähernd
proportional dem Modulationsstrom ändern.
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Zur näheren Erläuterung des Erfindungsgedankens seien die folgenden
Untersuchungen angestellt: Die Summe zweier Wechselspannungen ei und e., deren Verlauf
sich durch die Gleichungen e1 - eo # sin (co t - cp) , (i) e., = eo
- sin (a) t + 99) (2)
darstellen läßt, ist E - ei -S- e, - 2 - 6o -
cos (p - sin a> t . (3) Die Amplitude der Summenspannung ändert sich, da die Amplituden
der Teilspannungeneo als konstant vorausgesetzt werden, proportional dem Cosinus
des Phasenwinkels zwischen den beiden Teilspannungen: Da sich bei der gewünschten
geradlinigen Arnplitudenmodulation die Amplitude der modulierten Spannung proportional
dem Modulationsstrom i," ändern soll, muß der cos co proportional dein Modulationsstrom
geändert werden, d. h. es muß cos (p - tz - ira (4)
oder g@
= arc cos (h - i,") (5)
sein. i,", der Augenblicks-,vert des Modulationsstromes,
ist bestimmt durch die Gleichung i," = i, - sin nt. (6)
Die
Gleichung (5) läßt sich beispielsweise erfüllen, wenn man die Phasendrehung mit
Hilfe eines Bandfilters bewirkt. Fürgeringe relative Lochbreiten folgt das Phasenmaß
eines einwertigen Bandfilters der Gleichung
wenn co die Betriebsfrequenz, ,P die Lochmitte und d n die absolute Lochbreite bedeutet.
Die Verschiebung des Durchlässigkeitsbereiches des Bandfilters, d. h. die Änderung
der
Lochmitte Q kann man bei Konstanthaltung der Lochbreite d 9 erreichen, wenn man
die einzelnen Elemente des Bandfilters im gleichen Sinne verstimmt. Diese Verstimmung
kann durch Änderung der Induktivitäten oder Kapazitäten herbeigeführt werden. Eine
Änderung der Induktivitäten läßt sich dadurch erreichen, daß man die eisenhaltigen
Induktivitäten vormagnetisiert und die Vormagnetisierung im Takte des Modulationsstromes
und entsprechend der Amplitude desselben ändert. Bei den kleinen Änderungen, um
die es sich in dem vorliegenden Falle handelt, kann man eine lineare Abhängigkeit
der Induktivitätsänderung von der Änderung der Magnetisierung annehmen.
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Es sei -vorausgesetzt, daß die relative Verstimmung der Induktivitäten
kleiner oder im Höchstfalle gleich o,i ist, daß also die Beziehung besteht
Es gilt dann, wenn die Lochmitte S2 im unv erstimmten Zustand des Filters mit der
Betriebsfrequenz co zusammenfällt,
Die relative Verschiebung der Lochmitte ist also gleich der halben relativen Induktivitätsänderung.
Aus den Gleichungen (7) und (9) ergibt sich für das Phasenmaß
Da die Betriebsfrequenz co und die Lochbreite d S2 konstant sind und unter
der gemachten Voraussetzung die relative Verstimmung dem Modulationsstrom proportional
ist, kann die Gleichung (io) auch geschrieben werden in der Form a - arccos (K #
a",) . (Ix) Es ist also die zu Anfang durch Gleichung (5) dargestellte Bedingung
erfüllt, wenn man dafür sorgt, daß das Phasenmaß a mit dem Phasenwinkel ga genau
genug übereinstimmt, was sich dadurch erreichen läßt, daß man einwertige Bandfilter
mit möglichst konstantem Wellenwiderstand innerhalb des Durchlässigkeitsbereiches
verwendet.
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In der Fig. i ist ein Prinzipschaltbild dargestellt, das eine Modulationsschaltung
gemäß der Erfindung zeigt. Die Trägerfrequenz H wird den Gitterkreisen der beiden
eingangsseitigparallel geschaltetenVerstärkerröhren V, und V2 zugeführt. An die
Ausgangskreise der beiden Röhren sind die beiden Filter F, und F2 angeschlossen,
und zwar sind die Filter an den inneren Widerstand der Röhren angepaßt, d. h. es
ist der Wellenwiderstand z der Filter gleich dem inneren Röhrenwiderstand Rt gemacht
worden. Unter der Voraussetzung vollkommen symmetrischen Aufbaues erzeugen die beiden
Verstärkerröhren in ihrem Ausgangskreis zwei gleichphasige elektromotorische Kräfte
von gleicher Amplitude. Zwischen diesen elektromotorischen Kräften *und zwischen
den Spannungen E2, E2 und Strömen 1" J2 am Ausgang der Filter bestehen folgende
Beziehungen: ) # (cos ip -i- 7 # sin 99 ), (za) Eo - (E2 -I- z.1.
Eo = (Eä
-i- z # Jä) # (cos p' -f- y # sin cp'). (I3) Macht man die
Phasenverschiebungswinkel der beiden Filter g@ und 9 in bekannter Weise einander
gleich und sorgt man dafür, daß die beiden Filter die Phase in bekannter Weise in
entgegengesetztem Sinne verschieben, so kann (p'==-(p gesetzt werden. Ferner bestehen
wegen der Parallelschaltung der Ausgangsseiten der beiden Filter die Beziehungen
E2 - E2 = Err und J2 -I- J,' = .Jrr. (=4) Aus den Gleichungen (i2)
bis (i4) ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung und der
von den Generatoren erzeugten elektromotorischen Kraft:
Man wählt zweckmäßig den äußeren Belastungswiderstand und erhält, da 95
R2 # IIi= Ell ist, nach Gleichung (io)
Den Maximalwert von Ell _-_ E, erhält man für
Aus Gleichung (i7) folgt, daß man die volle Durchmodulation der Spannung E, mit
um so kleineren relativen Induktivitätsänderungen A, erzielen kann, je kleiner die
relative Lochbreite
des Bandfilters ist.
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Die absolute Lochbreite d P richtet sich nach der höchsten Modulationsfrequenz,
die man einwandfrei übertragen will und die von dem Filter durchgelassen werden
muß. Um Beschneidungen des übertragenden Frequenzbandes durch Einschwingvorgänge
im Filter möglichst klein zu halten, wählt man den Durchlässigkeitsbereich des Bandfilters
mindestens doppelt so groß wie die höchste Modulationsfrequenz. Man erkennt, daß
die Schaltung um so. empfindlicher wird, je höher
man bei gegebener
Lochbreite die Trägerfrequenz wählt. Man wird auch die Lochbreite des Filters deshalb
möglichst groß wählen, weil sich die Lochdämpfung in diesem Fall mit einfachen Mitteln
klein halten läßt.
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Die Modulationsschaltung zeigt eine außerordentlich hohe Empfindlichkeit.
So läßt sich z. B. bei einer Trägerfrequenz von i ooo kHz und .einer Lochbreite
von 30 kHz eine vollkommene Durchmodulation schon durch eine Induktivitätsänderung
von nur 3 % des Wertes der ,normalen Induktivität erreichen.. Bei VerwendunggeeigneterEisensorten
kann man in diesem Fall die Lochdämpfung geringer als o,i Neper machen. Eine ioo
°J, geradlinige Modulation ist auch dann möglich, wenn die Phasendrehung an den
Lochrändern infolge von Spulenverlusten und Anpassungsfehlern nicht dem theoretischen
Wert entspricht, da man geradlinig bis zum Nullpunkt (resultierende Spannung-Null)
heruntersteuern kann und es freisteht, die Schaltung nicht bis zur vollständigen
Gleichphasigkeit der Teilspannungen auszunutzen. Es wird dadurch nur der Wirkungsgrad
etwas schlechter.
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Da die Modulationsscbaltung gleichzeitig als Filter wirkt, werden
unerwünschte Oberwellen automatisch zurückgehalten. Man kann also die Schaltung
unmittelbar vor dem Antennenkreis verwenden. Die Güte der Modulation ist nicht abhängig
von der gewählten Aussteuerung der beiden Röhren hl und V2 in Fig. i. Man kann diese
Röhren so weit aussteuern, wie es im Interesse einer möglichst wirtschaftlichen
Leistungsübertragung erwünscht ist, ohne die Modulationsgüte herabzusetzen. Die
bei Weiteraussteuerung dieser Röhren gegebenenfalls entstehenden Oberwellen der
Trägerfrequenz haben auf den Modulationsvorgang keinen Einfluß und werden durch
das Bandfilter ohne weiteres vom Ausgangskreis zurückgehalten.
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Die beschriebene Modulation mit Hilfe zweier einwertiger Bandfilter,
deren Durchlässigkeitsbereich in entgegengesetzter Richtung verlagert wird, ist,
wie Gleichung (3) zeigt, eine reine Amplitudenmodulation. In Fällen, bei denen eine
gewisse Phasenmodulation Nicht stört, kann man die Schaltung dadurch vereinfachen,
daß man an Stelle der beiden einwertigen Bandfilter ein zweiwertiges Filter verwendet,
dessen Ausgangsspannung mit der Eingangsspannung in geeigneter Weise überlagert
wird. Das zweiwertige Filter bewirkt bekanntlich bei gleicher Verschiebung des Durchlaßbereiches
die doppelte Phasendrehung eines einwertigen Filters, so daß der Phasenwinkel der
gedrehten Teilspannung gegenüber der Eingangsspannung stets übereinstimmt mit dem
Phasenwinkel der beiden Teilspannungen in dem oben beschriebenen Fall. Die Summenspannung
weist also auch hier eine lineare Abhängigkeit vom Modulationsstrom auf, doch ändert
sich der Phasenwinkel der Summenspannung im Takte der Modulationsfrequenz. Es tritt
also neben der geradlinigen Amplitudenmodulation Phasenmodulation auf.
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In Fig. a ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens dargestellt.
Die zu modulierende Hochfrequenz H wird den Gitterkreisen der beiden Verstärkerröhren
T, und V2 gleichphasig zugeführt. Es entstehen also an den Eingängen der beiden
symmetrischen Brückenfilter F1 und F2 phasengleiche Wechselspannungen der Trägerfrequenz
von derselben Amplitude. jedes Brückenfilter besteht aus vier Parallelschwingungskreisen
KI ... K4. Die Ausgangsseiten der beiden Filter sind zusammengelegt,
so daß in dem Ausgangsübertrager AU eine Überlagerung der von den beiden Filtern
gelieferten Wechselspannungen stattfindet. Durch die veränderlichen Widerstände
R1 fließt ein Teil des Anodengleichstromes der beiden Röhren im gleichen Sinne durch
die beiden Filter hindurch. Die Widerstände sind durch die Kondensatoren C1 für
die Hochfrequenz überbrückt. Die Modulationsfrequenz wird über den Übertrager
NU den beiden Filtern derart zugeführt, daß sie diese in bekannter Weise
in entgegengesetztem Sinne durchfließt. Durch die Sperrkreise Dl, welche auf die
Trägerfrequenz abgestimmt sind, wird die Hochfrequenz von der Modulationsstromquelle
ferngehalten. Die Hochfrequenzdrosseln D2 dienen der Zuführung des Anodengleichstromes
für die Verstärkerröhren. Die mit der Sekundärwicklung des Übertragers
NU
in Reihe liegenden Ohmschen Widerstände R2 sollen eine Frequenzabhängigkeit
der Energieübertragung von der Modulationsstromquelle auf den Modulationskreis verhindern.
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Da die durch den .Gleichstrom hervorgerufene V ormagnetisierung der
Filter in dem einen Filter von dem Modulatio:nsstrom verstärkt und im anderen Filter
abgeschwächt wird, werden die beiden Filter im entgegengesetzten Sinne verstimmt
und drehen daher die Phasen der an ihre Eingänge gelegten Spannungen im entgegengesetzten
Sinne. Die modulierte Hochfrequenz wird an den Klemmen der Sekundärwicklung des
Übertragers AU abgenommen.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf das soeben beschriebene
Ausführungsbeispiel beschränkt. Man kann die Bandfilter durch andere Filteranordnungen
ersetzen oder auch die zu modulierende Trägerfrequenz über den Übertrager
AU den beiden Filtern gemeinsam zuführen und die beiden in ihrer Phase verschobenen
Spannungen
nach getrennter Verstärkung zur Überlagerung bringen.
In einem solchen Falle müssen allerdings die Verstärkerröhren vollkommen frei von
nicht linearen Verzerrungen sein, da sich diese nachträglich nicht mehr beseitigen
lassen, wie es beispielsweise in der in Fig. 2 dargestellten Schaltung der Fall
ist.