DE577786C - Traegerfrequenzsystem mit teilweise kompensiertem Traegerstrom - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

Bür.

'3 JTJK. 1933.

AUSGEGEBEN AM 3.JUNH933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

' KLASSE 21a⁴ GRUPPE

Siemens & Halske Akt.-Ges. in Berlin-Siemensstadt*) Trägerfrequenzsystem mit teilweise kompensiertem Trägerstrom

Zusatz zum Patent 544

Patentiert im Deutschen Reiche vom 9. Juli 1931 ab Das Hauptpatent hat angefangen am 28. November 1929.

Gegenstand des Hauptpatents ist ein Trägerfrequenzsystem, bei dem der Trägerstrom hinter dem Modulator durch Kompensation bis auf einen gewissen Bruchteil unterdrückt ist, der beispielsweise zur Überwachung oder Einstellung der Restdämpfung des Übertragungssystems zwischen Modulator und Demodulator oder in irgendeiner anderen Weise im Empfänger ausgenutzt werden kann.

Als eine der Ausführungsmöglichkeiten dieses Schaltungsprinzips ist im Hauptpatent angegeben, daß dem Gitterkreis einer vom Modulator gesteuerten Verstärkerröhre eine dem Trägerfrequenzerzeuger entnommene Kompensationsspannung mit entgegengesetzter Phase und geeigneter Größe aufgedrückt wird.

Diese Schaltung läßt sich erfindungsgemäß weiter verbessern, indem die der Trägerspannung aufgedrückte Kompensationsspannung in ihrer Größe genau oder wenigstens annähernd gleich der Trägerspannung, in ihrer Phase aber um weniger als i8o° verschoben· ist. Hierdurch läßt sich insbesondere der Vor-

S5 teil erreichen, daß der reduzierte Trägerstrompegel von Schwankungen der Betriebsspannungen weitgehend¹ unabhängig ist.

Diese. Verhältnisse sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Einige Schaubilder sind in Fig. 1 bis 4b dargestellt, Fig. 5 zeigt ein Beispiel für die Ausführung· einer Modulationsschaltung unter Anwendung des Erfindungsprinzips, während Fig. 6 zur Erläuterung einer Einzelheit dieser Schaltung 3S dient.

Fig. ι zeigt eine normale Modulations- _c kurve, d. h. die Abhängigkeit des Ausgangsstromes/der Modulationsschaltung von dem Augenblickwert E_g der Wechselspannung am Gitter der Modulationsröhre. Die Kurve gilt für den Fall, daß die Kompensationsspannung gleich Null ist, d. h. also z. B. für den Fall einer normalen Modulationsschaltung, bei der der Trägerstrom in voller Größe übertragen wird. Eg_a ist der Ruhewert der Gitterspannung, dem eine Trägerstromamplitude von der Größe J_t entspricht.

Die in Fig. 2 dargestellte Modulationskurve veranschaulicht den Fall, daß der Trä- gerstrom vollkommen unterdrückt ist, d. h. daß der Kompensationsstrom J_k genau gleich dem Trägerstrom /; ist und ihm um i8o° in der Phase nacheilt. Dabei muß die Summe J_k -\- J_t natürlich gleich dem bei fehlender Kompensationsspannung und positiven Gitterspannungen erreichbaren Höchstwert des Ausgangsstromes /_max (Fig. 1) sein. An dem der

*) Von dem Patentsiteher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Karl S eher er in Berlin-Siemensstadi.

5777$6

Gitterruhespannung E«-_a entsprechenden Punkt ist der'Trägerstrom J_t gleich Null. I_k ist der Ausgangsstrom, der sich bei großen negativen Werten der Gitterspannung ergibt, d. h. also dann, wenn die Kompensationsspannung allein wirksam ist.

Fig. 3a veranschaulicht eine der Ausführungsmöglichkeiten nach dem Hauptpatent. In diesem Fall ist, wie das Vektorschaubild Fig. 3 b näher veranschaulicht, der Kompensationsstrom Ij, um genau iSo° in der Phase verschoben, jedoch um den Betrag J_d geringer als der unkompensierte Trägerstrom I_t. Der Differenzstrom J_d ist also der reduzierte Trägerstrom, der übertragen wird.

Ist nun der unkompensierte Trägerstrom J_t groß im Verhältnis zu dem Trägerstromrest J_d, ■ so ist die prozentuale Änderung des Trägerstromrestes J_d relativ groß, wenn sich einer der beiden Ströme J% oder J_t in der Größe auch nur um einen geringen Betrag ändert, wie er beispielsweise durch Schwankungen: der Betriebsspannungen bedingt ist. Ist z. B. die Größe des Difterenzstromes J_d gleich dem siebenten Teil des unkompensierten Trägerstromes J₁, so betragen bei einer Schwankung von J_t um i°/o die Schwankungen des reduzierten Trägerstromes J_d bereits 7 o/_o.

Eine solche Unstabilität des übertragenen Trägerstromrestes kann sehr störend sein, wenn der Trägerstrom beispielsweise zur selbsttätigen Pegelanzeige oder Pegelregelung in den Trägerstromkanälen verwendet werden soll. Diese Schwierigkeiten lassen sich aber gemäß der Erfindung umgehen, indem die Amplituden der beiden Ströme J_t und Jj₁ gleich groß gemacht werden und die Phasendifferenz abweichend von i8o° so eingestellt wird, daß die vektorielle Summe von J_t und J_k den gewünschten Betrag J_d hat. Die Modulationskurve einer in dieser Weise arbeitenden Schaltung ist in dem Schaubild in Fig. 4a wiedergegeben, während Fig. 4b das zugehörige Vektorschaubild zeigt. Die Modulationskurve in Fig. 4a läßt erkennen, daß die Steilheit im Arbeitspunkt, d.h.. bei der Gitterruhespannung E_e0, den Wert Null hat, so daß eine geringe Verlagerung des Arbeitspunktes, die z. B. als Folge von Betriebsspannungsschwankungen auftreten kann, nur geringen Einfluß auf "die Größe des Trägerstromrestes J₁, ausübt. Bei dem oben angenommenen Verhältnis zwischen dem unkompensierten Trägerstrom J_t und dem reduzierten Trägerstrom J_d kann sich beispielsweise bei einer Schwankung von J_t um i°/o eine Änderung des Trägerstromrestes J_d um etwa 0,5% ergeben.

Das Vektorschaubild Fig. 4b zeigt, wie sich der Strom J_d als vektorielle Summe der ihrem absoluten Betrag nach ungefähr gleich großen Strome J₁₁ und/_f ergibt. Der Difterenzstrom J_d ist in seiner Phase gegenüber dem ursprünglichen Trägerstrom um etwa 90⁰ gedreht, jedoch ist diese Verschiebung für dieDemodulation belanglos. Es ist ferner für die Wirkung gleichgültig, ob der Phasemvinkel zwischen J_k und J₁ rechtsherum oder linksherum gemessen kleiner als i8o° ist. Daher ist in der Beschreibung und im Anspruch nur allgemein von einem Winkel kleiner als i8o° die Rede. Fig. 5 zeigt eine der Schaltungsmöglichkeiten zur Durchführung des Erfindungsgedankens.

Der Modulator besteht aus einer Elektronenröhre Mi?, deren Gitterkreis die beispielsweise von einem Mikrophon M über einen Mikrophonverstärker MV kommenden Signalströme über einen Eingangsübertrager U₁ zugeführt werden. Im Anodenkreis der Modulatorröhre MR liegt die Wicklung II eines besonderen Übertragers U₂ in Reihe mit einem Ohmschen Widerstand R₂, über den die Anodenspannung + A zugeführt wird. Der ■ Übertrager U₂ trägt eine weitere Wicklung III, die von dem Trägerfrequenzerzeuger, ζ. Β. einem Hochfrequenzgenerator HG, gespeist wird. Die an dem Anodenwiderstand i?₂ auftretenden Wechselspannungen gelangen über den Kondensator C₂ und den Widerstand R_e zum Gitter einer Verstärkerröhre Fi?, welches über die beiden Widerstände i?₅ und i?₄ an die Gitterspannungsquelle — G angeschlossen ist. Die im Anodenkreis auftretenden Wechselströme werden über einen Ausgangsübertrager U₃ dem Bandfilter BF zugeführt, so daß den Klemmen Jv die gewünschten Alodulationsprodukte entnommen werden können.

Zur Reduzierung des Trägerstromes wird dem Trägerfrequenzgenerator HG über die Wicklung IV des Übertragers U₂ eine Kompensationsspannung entnommen, die dem Gitterkreis der Verstärkerröhre Fi? über den Widerstand i?.j aufgedrückt wird. Die Größe der Kompensationsspannung ist durch den aus _los den Widerständen i?₃ und i?₄ gebildeten Spannungsteiler regelbar, während ihre Phase mittels des Kondensators C₃ eingestellt werden kann.

Wird der innere Widerstand des Träger-Stromgenerators, gemessen an der Wicklung II, genügend klein, insbesondere klein gegen den Kleinstwert des Innenwiderstandes der Modulatorröhre, gemacht 'und dadurch die Rückwirkung der Wicklung II auf die Wick- _X1g lung IV klein gehalten, so läßt sich erreichen, daß der Kompensationskreis praktisch nur Ströme der Trägerfrequenz führt und somit die Amplituden der übrigen bei der Modulation auftretenden Frequenzen, vor allem die der beiden Seitenbänder, nicht verändert werden.

Die richtige Einstellung des Modulators und des Kompensationskreises ist nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch ermöglicht, daß im Gitterkreis der Modulatorröhre MR ein zu verschiedenen Gittervorspannungen — G₁, — G₂ und — G₃ führender Umschalter S₁ und im Ausgang der Modulatorröhre Mi? oder der Verstärkerröhre VR eine über einen Schalter S₂ anschaltbare Meßeinrichtung SM vorgesehen ~ ist. Diese Meßeinrichtung besteht beispielsweise aus einem Trockengleichrichter und einem Galvanometer und ermöglicht auf diese Weise die Bestimmung des Ausgangsstromes. Die beiden Gitterspannungen — G₁ und — G₃ sind extreme Werte, die oberhalb bzw. unterhalb des aussteuerbaren Gitterspannungsbereiches liegen. Die Spannung — G₁ kann beispielsweise — 4 V und die Spannung —G₃ etwa —40 Volt betragen, wie dies in dem Kurvenschaubild Fig. 4a angedeutet ist. Stellt man den Schalter S₁ auf die Vorspannung — G₁ (— 4 V) ein, so erhält man im Meßinstrument die Differenz zwischen dem Maximalstrom des Modulators 7_max und dem Kompensationsstrom J_k, während bei der Einstellung des Schalters S₁ auf die Gittervorspannung — G₃ (— 40 V) der Kompensationsstrom J_k angezeigt wird. Der Spannungsteiler R₃, R₁ wird nun, beispielsweise durch Verstellung des Widerstandes i?₄, so einreguliert, daß die Ströme J_k und /_max — J_b einander annähernd gleich sind.

Zur Einstellung des Trägerstromrestes J_d wird dann in der Mittelstellung des Schalters S₁ die Gitterruhespannung — G₂ z. B. durch einen Spannungsteiler R₁ so eingestellt, daß der im Meßinstrument SM angezeigte Ausgangsstrom seinen kleinsten Wert erreicht. Dieser Punkt entspricht dem in Fig. 4 a mit E„_o bezeichneten Wert der Gitterspannung. Die Größe des Trägerstromrestes läßt sich dann durch Verstellung des Kondensators C₃ auf den gewünschten Wert bringen, da durch die Verstellung des Kondensators C₃ die Vektoren J_k und J_t gemäß der Fig. 4b gegeneinander verdreht werden. Die Einstellung kann beispielsweise so erfolgen, daß der Trägerstromrest um 2 Neper kleiner ist als die beiden vorher gemessenen Ströme. Wird· nun durch eine besondere Schaltmaßnahme dafür gesorgt, daß bei der Einstellung des Umschalters S₁ in die Mittelstellung gleichzeitig die Empfindlichkeit des Meßkreises um den gleichen Betrag, z. B. 2 Neper, erhöht wird, so braucht man bei der Verstellung des Kondensators C₃ nur wiederum auf den gleichen Ausschlag am Meßinstrument einzustellen, um die gewünschte Amplitude des Trägerstromrestes zu erhalten. Eine absolute Eichung wird hierdurch überflüssig.

Die vorbeschriebene Meßeinrichtung läßt sich nicht nur in den durch die dargestellte Schaltung angedeuteten Fällen verwenden, sondern beispielsweise auch dann, wenn eine vollständige Unterdrückung des Trägerstromes oder eine Reduzierung nach' dem. Hauptpatent stattfindet.

Wie aus dem Vektordiagramm der Fig. 4b zu ersehen ist, haben geringe Änderungen in der gegenseitigen Phasenlage des Trägerstromes J_t und des Kompensationsstromes J_k einen erheblichen Einfluß auf die Größe des Trägerstromrestes J_d. Es muß also dafür gesorgt werden, daß sich die Phasenlage der beiden Ströme während des Betriebes nicht in einer unübersehbaren Weise ändert. Auch Schwankungen in der Größe des einen oder anderen Stromes sind natürlich tunlichst zu vermeiden, wenn auch der Einfluß solcher Änderungen gegenüber den durch die Phasenverschiebung hervorgerufenen Änderungen eine geringere Rolle spielt.

Schwankungen des Kompensationsstromes sind kaum zu befürchten, wenn der Trägerstromgenerator HG konstant arbeitet. Dagegen können Schwankungen des Trägerstromes — und zwar sowohl in der Größe als auch in der, Phase — auftreten, wenn sich der Scheinwiderstand im Gitterkreis der Modulatorröhre ändert. Dies kann z. B. im Hochfrequenzfernsprechverkehr der Fall sein, wenn die Abfrageeinrichtung angelegt und dadurch der Scheinwiderstand des Übertragers U₁ geändert wird. "

Um die Schwankungen des Trägerstromes, die durch die vorerwähnten Änderungen des Scheinwiderstandes im Gitterkreis infolge der inneren Anoden-Gitter-Kapazität der Modulatorröhre hervorgerufen werden, wirksam zu verhindern, ist erfindungsgemäß ein Neutralisationskreis vorgesehen, der in an sich bekannter Weise den Einfluß der Anoden-Gitter-Kapazität kompensiert. Dieser Neutralisationskreis kann beispielsweise nach der in Fig. 5 dargestellten Schaltung aus einer Wicklung I des Übertragers U₂ und einem regelbaren Kondensator C₁ bestehen, durch den die Gegenkopplung auf das Gitter der Modulatorröhre in der erforderlichen Weise eingestellt werden kann.

Auch die Anoden - Kathoden - Kapazität der Modulatorröhre kann einen unerwünschten Einfluß ausüben, da sie die Form der Modulationskurve beeinflußt. Der Ohmsehe Widerstand der Modulatorröhre ist bei großen negativen Gitterspannungen sehr hoch, z. B. über 1 Megohm groß, so daß, falls dieser Widerstand allein wirksam wäre, die Spannung am Anodenwiderstand R₂ und mithin der Ausgangsstrom des unkompensierten Modulators praktisch gleich

Null würde, wie die ausgezogene Kurve in Fig. ι zeigt. In Wirklichkeit wird jedoch das völlige Verschwinden des Ausgangsstromes verhindert, da die Anoden-Kathoden-Kapazitat der Modulatorröhre sich bei großen negativen Gittervorspannungen als kapazitiver Belastungswiderstand bemerkbar macht. Die Folge davon ist, daß der Minimalwert /_m;_n des Trägerstromes nicht gleich Null ist, sondern ίο einen merklich großen Wert besitzt, wie z. B. die gestrichelte Kurve in Fig. ι zeigt. Der aussteuerbare Teil der Modulationskurve, der mit einem gewissen beiderseitigen Abstand zwischen den Werten 7_m;_n und /_max liegt, wird also unter Umständen erheblich verkürzt, und zwar um so mehr, je größer die Trägerfrequenz und die schädliche Anoden-Kathoden-Kapazität sind. Diese Kapazität kann nun durch die Elemente der Schaltung selbst noch weiter erhöht werden, z. B. in der angegebenen Schaltung dadurch, daß die Wicklung II des Übertragers U₂ bei geerdetem Kern, eine merkliche Erdkapazität besitzt. Diese schädliche Wirkung der Erdkapazität! der Anodenwicklung II läßt sich aber durch einen metallischen Schirm, der die Wicklung II und zweckmäßigerweise auch die Wicklung I umschließt, weitgehend verhindern. Der Schirm, der in der Fig. 5 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, kann z. B. an der Stelle χ mit dem der Anode abgekehrten Ende der Anodenwicklung II verbunden sein.

Die Folge dieser Maßnahme ist die, daß die Kapazität der Wicklung II gegen den Schirm nur eine belanglose' zusätzliche Belastung des Trägerstromgenerators HG ist, während die Erdkapazität des Schirmes parallel zu dem verhältnismäßig kleinen, konstanten Anodenkopplungswiderstand R₂ liegt und somit ebenfalls unschädlich ist. Es gelingt auf diese Weise, den in Fig. 1 mit /_mi_n bezeichneten schädlichen Reststrom, der z. B. bei einem Modulator für eine Trägerfrequenz von 35 kHz ohne Schirm etwa 50 bis 6o°/₀ des Maximalstromes 7_max betragen kann, auf beispielsweise 10% des Maximalstromes zu reduzieren. Dieser Rest ist dann nur noch bedingt durch die Kapazität der Röhre, der Fassung und der kurzen Zuleitung, die erforderlichenfalls auch noch geschirmt werden kann. Die beiden vorstehend besprochenen Schaltmaßnahmen — die Neutralisation der Anoden - Gitter - Kapazität und die Abschirmung der Übertragerwicklungen — haben '55 zwar gerade für den Erfindungsgegenstand eine besondere Bedeutung, da sich hier ihre Vorteile in erhöhtem Maße geltend machen, jedoch sind sie ohne weiteres auch für andere Modulationsschaltungen, z. B. solche mit völliger Unterdrückung des Trägerstromes, sinngemäß anwendbar.

Fig. 6 zeigt einen Wicklungsquerschnitt, der eine besonders zweckmäßige Anordnung der Wicklungen des Übertragers U₂ veranschaulicht. Der Wickelraum ist durch Isolationsmaterial in drei Kammern unterteilt, deren mittlere den obenerwähnten Metallschirm m enthält. Dieser ist zweckmäßig axial geschlitzt, um Wirbelstromverluste zu vermeiden. Der metallische Schirm m ist wiederum mit Isolationsmaterial ausgekleidet und birgt die beiden Wicklungen I und II (vgl· das Schaltbild in Fig. 5). Um eine völlige Abschirmung zu erreichen, ist über die äußere Wicklung eine einlagige Wicklung d aus isoliertem Draht gelegt und an dem einen Ende mit dem Schirmblech m verbunden. Auf die beiden Außenkammern des Wickelraumes sind die Speisewicklung III und die Kompensationswicklung IV symmetrisch verteilt. Der Übertrager kann einen Kern enthalten, der durch k angedeutet ist.

Der Erfindungsgedanke ist, wie der des Hauptpatents, für die verschiedensten Arten von Trägerfrequenzsystemen, ζ. B. für die Hochfrequenztelephonie längs Leitungen, die sogenannte EW-Telephonie, für die Trägerstromtelephonie über Kabel, für drahtlose Übertragungssysteme, für Bildtelegraphie, Fernsehen u. dgl., anwendbar.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Trägerfrequenzsystem mit teilweise kompensiertem Trägerstrom nach Patent 544 306, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Trägerfrequenzgenerator entnommene Kompensationsspannung in ihrer Größe annähernd gleich der zu kompensierenden Trägerspannung, in ihrer Phase aber um weniger als i8o° verschoben ist.

2. Trägerfrequenzsystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Trägerfrequenzgenerator (HG) und dem Zuführungspunkt der Kompensationsspannung (Fi?) ein Spannungsteiler (R₃, R_t) in Verbindung mit einem regelbaren Wechselstromwiderstand (C₃) zur Regelung der Größe und Phase n₀ der Kompensationsspannung eingeschaltet ist.

3. Trägerfrequenzsystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß im Modulationskreis eine Einrichtung zur n₅ Erzeugung extremer Modulationsspannungen vorgesehen ist.

4. Trägerfrequenzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Gitterkreis der Modulatorröhre (MR) ein Umschalter (S₁) zur wahlweisen Anschaltung von oberhalb oder unterhalb des aus-

steuerbaren Gitterspannungsbereiches liegenden Gittervorspannungen (— G₁,— G₃) sowie einer einstellbaren mittleren Gittervorspannung (— G₂) vorgesehen ist.

5. Trägerfrequenzsystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskreis des Modulators oder einer auf den Modulator folgenden Verstärkungsstufe eine Meßeinrichtung (SM) zur Messung des Ausgangsstromes und Einstellung des Trägerstromrestes vorgesehen ist, deren Empfindlichkeit sich zwangsläufig mit der Stellung des Umschalters (S₁) ändert, vorzugsweise derart, daß die Empfindlichkeit bei der dem Trägerstromrest entsprechenden Einstellung des Umschalters auf eine mittlere Gittervorspannung (— G₂) höher als bei den Extremstellungen (— G₁, — G₃) des Umschalters ist.

6. Trägerfrequenzsystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung der Modulatorröhre (MR) zur Beseitigung des Einflusses der Anoden-Gitter-Kapadtät eine an sich bekannte Ncutralisationsschaltung (I, C₁) enthält.

7. Trägerfrequenzsystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Trägerfrequenzgenerator (HG) gespeister gemeinsamer Übertrager (CZ₂) vorgesehen ist, der getrennte Wicklungen für die Zuführung des Trägerstromes zum Anodenkreis des Modulators (II), für die Erzeugung der zur Kompensation dienenden Gegenspannung (IV) und für die Erzeugung der Neutralisationsspannung (I) trägt. _

8. Übertrager nach Anspruch/, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenwicklung (II) sowie zweckmäßig auch die Neutralisationswicklung (I) gegen Erde und gegen die Speisewicklung (III) und die Kompensationswicklung (IV) abgeschirmt sind.

9. Übertrager nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm mit dem der Anode abgekehrten Ende der Anodenwicklung (II) verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen