DE609540C

DE609540C - Anlage fuer Hochfrequenznachrichtenuebermittlung mit gespreizten Seitenbaendern

Info

Publication number: DE609540C
Application number: DE1930609540D
Authority: DE
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1930-01-02
Filing date: 1930-11-11
Publication date: 1935-02-20
Also published as: US1907109A; FR733626A; NL34797C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Anlagen mit Hochfrequenznachrichtenübermittlung, bei denen Signale irgendwelcher Art, z. B. Bilder, Musik, Sprache, auf eine hochfrequente Trägerwelle aufmoduliert werden. Insbesondere bezieht sie sich auf die Spreizung der Seitenbänder bei derartigen Anlagen.

Die Spreizung von Seitenbändern ist an sich bekannt. Bei den bekannten Anlagen diente sie in der Regel, oft in Verbindung mit der Signalbandumkehr, zu Geheimhaltungszwecken. Den Grad der Spreizung, d. h. also den Abstand der Bänder voneinander bzw. von der Trägerwelle, wählte man mit Rücksicht auf die Bedingungen des Einzelfalles. Meistens ging man um ein Vielfaches, z. B. um das zehnfache (vgl. »Der Radioamateur« 1926 S. 21), von der Trägerfrequenz ab, weil man sich sagte, daß, je näher die Seitenbänder zusammenlägen, um so größer die Gefahr der gegenseitigen Modulation der Seitenbänder sein müsse. Man mußte dann natürlich, einen dementsprechend breiten Raum in der Wellenskala in Anspruch nehmen.

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß zur Vermeidung derartiger Interferenzen eine Abspreizung der Seitenbänder von der Trägerwelle um den Betrag ihrer eigenen Breite genügt. Es wird also, insbesondere im Interesse der Wellenökonomie, vorgeschlagen, die Seitenbänder im wesentlichen nur um diesen Betrag auseinanderzuspreizen.

Die infolge der Seitenbandinterferenzen auftretenden Verzerrungen erklären sich nämlich gewöhnlich keineswegs daraus, daß die Trennschärfe der Filter zur Trennung der beiden Bänder voneinander nicht ausreicht, sondern vielmehr daraus, daß im Empfänger bei der Gleichrichtung zwangsläufig Harmonische entstehen, die ohne bzw. bei ungenügender Spreizung der Seitenbänder unvermeidlich in den schließlich auszusiebenden Signalfrequenzbereich fallen. Weiter unten wird nachgewiesen werden, daß schon die Abspreizung der Seitenbänder um den Betrag ihrer eigenen Breite ausreicht, um diese wilden Frequenzen so weit zu verlagern, daß sie vom Signalfrequenzfilter (Niederfrequenzfilter) nicht mehr durchgelassen _ werden.

Die durch die Interferenz der Seitenbänder hervorgerufenen Verzerrungen der Signale machen sich, wie sich am Rundfunk leicht beobachten läßt, ganz besonders störend während eines Fadings bemerkbar, und zwar besonders bei solchen Fadings^ die bezüglich ihrer Lage im Frequenzspektrum eng begrenzt sind. Die Interferenzen können dabei zur völligen Unverständlichkeit der Sprache führen.

Die Schwunderscheinungen, die hier in Frage kommen, treten gewöhnlich in einer Frequenz- So breite von nur etwa 100 bis 200 Hertz gleichzeitig auf. Sie können also entweder nur ein oder beide Seitenbänder gleichzeitig beeinflussen oder aber ein Seitenband und die TrägerweEe oder schließlich lediglich die Trägerwelle allein. Dieser Fall ist der gefährlichste.

Die entstehenden Verhältnisse mögen im folgenden an einem Beispiel erläutert werden, bei dem eine Trägerfrequenz mit einem einzigen reinen Ton siawt moduliert ist. Es kommen dann also folgende drei Frequenzen im Empfänger an:

1. Trägerwelle = c sin rt,

2. oberes Seitenband

— α [sin (r -+- ze»)] t = a sin pt,

3. unteres Seitenband

= α [sin (r —w) t] = α sin qt.

Diese Frequenzen gelangen nun in den Gleichrichter, z.B. in ein Audion. Nun beruht die Gleichrichtung bekanntlich auf der quadratischen Charakteristik des betreffenden Apparates. In erster Annäherung hat der Gleichrichter die Charakteristik (A_±e + A₂e²), so daß sich also für die Signalstärke folgende Gleichung ergibt:

S = A₁ (a sin pt + α sin qt + c sin rt) ,^ + A₂ (a sin pt + α sin qt + c sin rt)².

Der erste Ausdruck enthält die ursprünglichen drei Frequenzen (Hochfrequenzen) und geht in den Siebketten hinter dem Gleichrichter verloren. Durch Entwicklung ergibt sich für den zweiten Ausdruck:

A₂ (a² sin² pt + α²sin²qt + c²sia²rt+ 2a²sva.pt sinqt + 2acsva.ptsinrt + 2acsinqt svn.rt)

I c²\ la² α² c² \

= A₂ la² -\ J —A₂ 1 — cos2pt -j cos2qt-\ cos2rtJ —A₂ [(β²cos (p + q) t (2)

^2/^2 2 2 ]

+ accos($ + r)t + accos (q + r)t + A₂(a²·cos(p—q)t + accos(r—p)t+accos(q—r)t)~\.

Der erste Ausdruck entspricht einem Gleichstrom; Schwankungen dieses Ausdrucks können durch eine selbsttätige Verstärkungsregelung aufgefangen werden. Die Verstärkungsregelung bezieht sich aber lediglich auf das gesamte gleichgerichtete Frequenzgemisch und kann zwischen den Amplituden der Trägerwelle und der Seitenbänder nicht unterscheiden. Andererseits will man aber nicht eine gleichbleibende Stärke des gesamten Frequenzgemischs, sondern nur eine Konstanz des Zeichens (der Sprache, Musik) selbst erhalten. Wie man aber aus der

Gleichung sieht I a² -j 1, kann die Verstär-

^ ~K

kungsregelung nur dahin wirken, daß ein Betrag konstant gehalten wird, der von der Summe von Seitenband- und Trägerwellenamplitude abhängt. Sie reagiert jedoch nicht auf deren gegenseitiges Verhältnis.

Der zweite und dritte Ausdruck der Gleichung (2) liefert doppelte Frequenzen und Summen der ursprünglichen Frequenzen; diese Frequenzen liegen also außerhalb des Signalfrequenz-₄g bereichs (Hörbereichs). Diese Ausdrücke werden ebenso wie der erste Ausdruck der Ausgangsgleichung durch die Siebketten unschädlich gemacht. Es bleibt also noch der letzte Ausdruck der Gleichung (2) mit seinen hörbaren Frequenzdifferenzen. Durch Umformung erhält man:

{ac [cos (r —p) t + cos (q

(3)

Die Frequenz (r —p) t ist die Differenz zwischen der Trägerfrequenz und der,unteren Seitenbandfrequenz und ist gleich (q — r) t der Differenz zwischen der oberen Seitenband- und der Trägerfrequenz. Man kann also Gleichung (3) in folgender Form schreiben:

A₂[2accos(r—p) t + a² cos (j>—q)f\ (4)

und da (r—p) t = wt und (p—q)t = folgt:

2A₂ ac cos wt + A₂ a² cos 2wt. (5) „

Unter normalen Umständen ist die Amplitude A₂ a² klein im Verhältnis zu 2A₂ ac, außer wenn die Aussteuerung 100 ⁰J₀ erreicht, wobei darm A₂ α² halb so groß werden kann wie 2 A₂ ac.

Betrachtet man nun aber diese beiden Ausdrücke für den Fall eines Fadings, so sieht man, daß der die Oberfrequenz enthaltende Ausdruck, der normalerweise gegenüber dem Ausdruck für die Grundfrequenz klein ist, dann eine hervorragende Rolle zu spielen beginnt, wenn die Trägerwelle selbst dem Fading unterliegt. Denn wenn das Fading die Seitenbandamplitude α herabdrückt, so wird die durch die Harmonische hervorgerufene Verzerrung noch kleiner als normalerweise; da ja beide Ausdrücke dadurch beeinflußt werden; ein solches Fading vergrößert die Verzerrung also nicht. Wenn dagegen das Fading auf die Trägerfrequenz fällt, also die Trägerfrequenzamplitude c herabdrückt, so wird nur der der Grundfrequenz (dem gewünschten Zeichen) entsprechende Ausdruck beeinflußt; die dadurch hervorgerufene Verzerrung wird also abnorm groß, und es kann sogar vorkommen, daß dann die Oberschwingung stärker wird als die Grundfrequenz.

Sind Verzerrungen dieser Art schon bei gewöhnlichen Hochfrequenzsystemen störend genug, so werden die Folgen derartiger Interferenzen ganz besonders unangenehm bei Systemen, bei denen zum Zwecke der Geheimhaltung die Bänder nicht in ihrer ursprünglichen Form, sondern beispielsweise erst nach Spiegelung übertragen werden. Denn während bei den normalen Hochfrequenzsystemen die durch die Interferenz hervorgerufenen Frequenzen echte Harmonische der Grundfrequenz sind, so fehlt nach Umkehr oder sonstiger Verlagerung der

Seitenbänder jedes vernünftige Verhältnis der Störfrequenzen zu den Grundfrequenzen. Handelt es sich also um Übertragung von Musik oder Sprache, so entstehen wilde, klangfremde Töne. Nimmt man. z. B. eine Tonfrequenz von 1900 als die gewünschte Signalfrequenz an, und nimmt weiter an, daß von dieser Frequenz zum Zwecke der Geheimhaltung die Frequenz 1000 abgezogen wird, so zeigt eine einfache Rechnung, daß gemäß der Gleichung (5) außer der Grundfrequenz 1900 noch eine wilde Frequenz von 2800 Hertz im Empfänger in den Hörer gelangt. Die Erfindung gibt nun eine Möglichkeit, die durch den zweiten Ausdruck der Gleichung (5) hervorgerufenen echten oder unechten Harmonischen von der gewünschten Grundfrequenz zu trennen. Addiert man nämlich zu der Grundfrequenz sin wt eine bestimmte andere Frequenz sin Wt hinzu, so wird aus Gleichung (5):

2A₂CiC cos(w +W) t

-f A₂ ß² cos (zw -f 2 W) t. (6)

Aus dieser Gleichung ergibt sich nun, daß,

wenn man Wt gleich dem höchsten Wert von wt macht, was einer Spreizung der Seitenbänder um ihre eigene Breite entspricht, der der Grundfrequenz entsprechende Ausdruck für alle Werte von w nur Frequenzen zwischen wt und 2 wt enthalten kann und der den Harmonischen entsprechende Ausdruck nur Frequenzen zwischen 2wt und 4 wt. Der eine Ausdruck läßt sich also vom anderen nunmehr mit Hilfe von Siebketten trennen, und wenn man dann die Frequenz Wt wieder abzieht (Rückverlagerung), so erhält man wieder das ursprüngliche gewünschte Band zwischen Null und wt.

Das gewünschte Signalband liege beispielsweise zwischen 250 und 2500 Hertz. Zu. diesem Band wird dann im Sender eine feste Frequenz von 2500 Hertz hinzugefügt, so daß sich an die Trägerfrequenz zunächst ein leerer Zwischenraum anschließt und das Sprachband zwischen 2750 und 5000 Hertz zu liegen kommt. Hinter dem Gleichrichter im Empfänger erhält man infolgedessen

[2.4₂iiccos (w + W) t]

w = 2500 w = = K₁ (2750 bis 5000 Hertz)

Ot = 2500

[A„a² cos (zw + zW)'f\ = K₂ (5500 bis 10000 Hertz).

w —

Die wilden Frequenzen des zweiten Ausdrucks können also durch einen Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von etwa 5200 Hertz ausgeschieden werden. Von dem ausgesiebten Frequenzgemisch wird dann die feste Frequenz von 2500 Hertz, die im Sender addiert worden war, im Empfänger wieder abgezogen, so daß die Frequenzen des ersten Ausdrucks wieder wie ursprünglich zwischen 250 und 2500 Hertz fallen.

In der Praxis handelt es sich natürlich meist nicht um einzelne Frequenzen, sondern es werden gewöhnlich mehrere Frequenzen gleichzeitig ausgesandt. Auch die durch etwaige Interferenz dieser Frequenzen miteinander entstehenden wilden Frequenzen werden durch diese Methode von den gewünschten Frequenzen getrennt.

In den Abb. 1 und 2 ist das Erfindungsprinzip schematisch dargestellt. In Abb. 1 bedeutet I das auszusendende Signalband von der Breite a. Bei C liegt die Trägerfrequenz 3. Wird das Signalband mit dieser Trägerfrequenz moduliert, so entstehen die beiden Seitenbänder 4 und 4'; nach der Gleichrichtung im Empfänger entstehen wilde Frequenzen 2, die ein Frequenzband von der Breite 2° einnehmen, sich also von den gewünschten Frequenzen nicht trennen lassen.

Dies gelingt erst durch die Spreizung der Seitenbänder nach Abb. 2. Dort sieht man, daß die Seitenbänder von der Trägerwelle um den Betrag ihrer eigenen Breite abgespreizt wurden Nach der Gleichrichtung im Empfänger kommen die gewünschten Frequenzen von der Breite a und die wilden Frequenzen von der Breite 2^a nebeneinanderzuliegen, so daß sie mit Hilfe von Siebketten voneinander getrennt werden können. Das im Sender nach oben verlagerte Signalband muß dann natürlich wieder heruntertransformiert werden. .

Abb. 3 bezieht sich auf den Fall, daß eine Trägerwelle (bei C) nicht mit einem einzigen ₌ Signalband, sondern mit mehreren Signalbändern moduliert ist (Mehrfachnachrichtenübermittlung). Aus der Abbildung sieht man, daß man die einzelnen Signalbänder ebenfalls um ihre doppelte Breite voneinander trennen muß, wenn man die wilden Frequenzen des einen Bandes nicht in den Bereich des anderen Bandes fallen lassen will. Die Breite der von der Trägerfrequenz weiter abliegenden Bänder soll ferner möglichst nicht größer sein als die der näher an der Trägerfrequenz liegenden.

In' Abb. 4 und 5 ist der Aufbau einer Fernsprechanlage nach der Erfindung schematisch n₅ dargestellt, und zwar arbeitet die Anlage nach Abb. 4 ohne Bandumkehr, die nach Abb. 5 mit Bandumkehr.

In Abb. 4 wird zunächst das zwischen Null und 3000 Hertz liegende Signalband in bekannter Weise, z. B. mittels eines Modulators MOD, in der Frequenz herauftransformiert. Dann

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wird in der Siebkette F ein Seitenband herausgesiebt und dem. Sender T zugeführt. Das Seitenband liege zwischen 3 und 6000 Hertz. Im Sender T wird dieses Band dann mit einer Trägerfrequenz moduliert und ausgesandt. Im Empfänger erfolgt im Gleichrichter D die Gleichrichtung. Das gewünschte Signalband liegt jetzt zwischen 3000 und 6000 Hertz und die unbrauchbaren Frequenzen zwischen 6000 und 120000 Hertz. Diese beiden Bänder werden nun durch die Siebkette F voneinander getrennt, indem nur das brauchbare Band durchgelassen wird. In der Einrichtung -FG erfolgt dann wieder die Rückverlagerung (Herabtransformierung), so daß das Signalband wieder zwischen Null und 3000 Hertz zu liegen kommt. Würde man in dieser' Anlage eine Modulationsfrequenz von 6000 Hertz benutzen und durch die Siebkette F das untere Seitenband aussieben lassen, so würde außer der Verlagerung auch eine Umkehr (Spiegelung) des Seitenbandes auftreten.

Abb. 5 zeigt eine andere Anordnung, die mit Bandumkehr arbeitet. T¹ sei das Mikrophon, in dem die Schallschwingungen in elektrische Schwingungen umgewandelt werden. LP ist ein Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von 3000 Hertz. Nach dem Durchgang durch diese Kette werden die Signale zu einem Modulator MOD¹ geleitet und dort mit einer Frequenz von etwa 20 kHz moduliert. Das auf diese Weise erzeugte obere Seitenband wird mittels einer Siebkette mit einem Durchgangsbereich von z.B. 20 bis 23000 Hertz ausgesiebt. Dieses Seitenband tritt dann in einen weiteren ModulatorMOD² ein, der mit einer Frequenz von. etwa 26 kHz gespeist wird. Das entstehende untere Frequenzband wird nun mit einem Tiefpaßfilter LP' von einer Grenzfrequenz von etwa 6000 Hertz ausgesiebt. Man erhält auf diese Weise ein umgekehrtes Sprachband, das zwischen 3 und 6 kHz liegt. Dieses Band wird dem Sender T zugeführt und nach Modulation mit der Trägerfrequenz ausgesendet. Im Empfänger wird bei R zunächst gleichgerichtet. Das Frequenzgemisch passiert dann einen Hochpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von 3 kHz und wird dann zu einem Modulator MOD von einer Frequenz von 20 kHz geleitet. Das entstehende obere Seitenband wird nun in einer Siebkette mit einem Durchlaßbereich von 23 bis 26 kHz ausgesiebt. Diese Frequenzen gelangen dann zu einem weiteren Demodulator MOD²' von 26kHz, hinter dem das untere Seitenband mit einem Tiefpaßfilter von einer Grenzfrequenz von 3 kHz ausgesiebt wird. Man erhält also jetzt wieder das ursprüngliche Sprachband, das schließlich in dem Apparat T² wieder in Schallschwingungen umgeformt wird.

Abschließend sei bemerkt, daß das Prinzip der vorliegenden Erfindung auch leicht auf andere Modulationsarten angewandt werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Anlage für Hochfrequenznachrichtenübermittlung mit gespreizten Seitenbändern, dadurch gekennzeichnet, daß das der Trägerfrequenz zunächst liegende Seitenband nur so weit verlagert wird, daß die obere Grenze der Seitenbandfrequenz im wesentlichen doppelt so weit von der Trägerfrequenz entfernt liegt wie die unverlagerte obere Grenzfrequenz des Seitenbandes.

2. Anlage für Mehrfachnachrichtenübermittlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des der Trägerfrequenz am nächsten liegenden Seitenbandes von dem folgenden Seitenband wenigstens gleich der doppelten Breite des Seitenbandes ist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des von der Trägerfrequenz entfernt liegenden Seitenbandes (by Abb. 3) so gewählt ist, daß sie nicht größer ist" als die Breite des der Trägerfrequenz am nächsten liegenden Seitenbandes (a, Abb. 3).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen