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Verfahren zur Kompensation von nichtlinearen Verzerrungen Zur Aufhebung
von Verzerrungen, die in Systemen mit gekrümmten Kennlinien entstehen, sind bereits
verschiedene Verfahren bekanntgeworden. Diese Verfahren gestatten jedoch nicht oder
nur unter sehr großem Aufwand, eine vollkommene Linearisierung über einen großen
Amplitudenbereich zu erzielen. Bei der Gegentaktschaltung ist es beispielsweise
nur möglich, die geradzahligen Harmonischen zu beseitigen. Bei den Linearisierungsschaltungen,
die eine negative Rückkopplung zur Aufhebung der Verzerrungen verwenden, tritt eine
beträchtliche Herabsetzung des Verstärkungsgrades ein, und zwar wird eine vollkommene
Linearisierung theoretisch erst beim Verstärkungsfaktor t erreicht. Die Linearisierungsschaltungen,
bei denen Systeme mit entgegengesetzt gekrümmter Kennlinie in Kaskade geschaltet
werden, gestatten zwar theoretisch eine vollkommene Linearisierung, jedoch ist es-
praktisch nicht möglich, die erforderlichen Kennlinienformen über genügend große
Amplitudenbereiche herzustellen. -Die erwähnten Nachteile lassen sich durch die
Linearisierungsschaltung gemäß der Erfindung beseitigen. Diese gibt die Möglichkeit,
innerhalb eines großen Amplitudenbereiches die Linearität genau einzuhalten. Eine
wesentliche Verminderung des Verstärkungsgrades tritt nicht ein. Gemäß der Erfindung
wird dem zu linearisierenden System eine Steuerfrequenz überlagert, die oberhalb
des zu übertragenden Nutzfrequenzbereiches liegt und eine sehr kleine Amplitude
aufweist. Der jeweilige Übertragungsfaktor dieser Steuerfrequenz durch das nichtlineare
System- entspricht der Steilheit des Systems und kann zur Steuerung von Kompensationsmitteln
benutzt werden.
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Der Grundgedanke der Erfindung sei im folgenden für die Linearisierung-eines
Nieder-. frequenzverstärkers erläutert. Es sei zunächst angenommen, daß der Niederfrequenzverstärker
mit einem rein Ohmschen Widerstand belastet ist, so daß die Anpassung für sämtliche
Frequenzen dieselbe ist. Dem niederfrequenten Vorgang wird im Eingang eine kleine
stationäre Hochfrequenzspannung überlagert. Die Frequenz dieser Steuerspannungwird
so gewählt, daß diese groß gegenüber der höchsten Frequenz des Niederfrequenzbandes
ist und die hochfrequenten Einschwingvorgänge gegenüber der Schwingungsdauer der
kürzesten Niederfrequenzschwingung vernachlässigt werden können. Die Amplitude der
Steuerfrequenz wird so gewählt, daß sie klein gegenüber der Kennlinienkrümmung ist
und die Kennlinie an jeder beliebigen Stelle für die Hochfrequenzschwingung als
geradlinig angesehen werden kann. Der Arbeitspunkt für die Übertragung der Hochfrequenzschwingung
wird, wie aus Fig. r ersichtlich ist, im Takte der Niederfrequenz ständig hin
und
her geschoben. In Fig. i ist die Anodenstromgitterspannungskennlinie mit h bezeichnet.
Der Arbeitspunkt A für die Niederfrequenzschwingungen a, b, c, d, e wird
durch die Gittervorspannung e, bestimmt. Die Vorspannung für die Hochfrequenz setzt
sich zusammen aus der konstanten Vorspannung e" und dem Momentanwert der dem Eingang
zugeführten niederfrequenten Steuerspannung. Der Arbeitspunkt pendelt infolgedessen
zwischen den Punkten A' und A" hin und her. In der gleichen Weise
schwankt der Verstärkungsgrad für die Steuerfrequenz. Wird beispielsweise in dem
Zeitmoment b die niederfrequente Eingangsschwingung mit der größten Steilheit übertragen,
so daß der entsprechende Momentanwert des Anodenstromes über den der Eingangsspannung
proportionalen Wert hinausgeht, so ist der Verstärkungsfaktor für die Steuerfrequenz
am größten, während in dem Zeitmoment d, wo die entgegengesetzte Verzerrung der
Niederfrequenzschwingung stattfindet, die Steuerfrequenz die geringste Verstärkung
erfährt. Der Verstärkungsgrad der Steuerfrequenz ist also in jedem Augenblick ein
Maß für die Steilheit der Arbeitskennlinie und damit für die jeweils auftretenden
nichtlinearen Verzerrungen. Wird die Steuerfrequenz dem Verstärker mit konstanter
Amplitude zugeführt, so kann die Ausgangsamplitude der Steuerfrequenz direkt als
Maß für die jeweilige Steilheit benutzt werden.
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Nachdem auf diese Weise ein eindeutiges Kriterium für die jeweilig
vorhandene Steilheit der Arbeitskennl.inie geschaffen ist, kann die eigentliche
Linearisierung mit Hilfe an sich bekannter Mittel vorgenommen werden. So ist es
beispielsweise möglich, die Ausgangsamplitude der Steuerfrequenz über einen Gleichrichter
dem Steuergitter oder einem besonderen Gitter des zu linearisierenden Verstärkers
zur Regelung zuzuführen. Der Sinn dieser Regelung wäre so zu wählen, daß bei positiven
Eingangsspannungen, für die die Übertragung in Gebieten größerer Steilheit vonstatten
geht, der Arbeitspunkt ins Negative verlagert wird. Andere Mittel zur Kompensation
bestehen darin, daß durch die gleichgerichtete Steuerspannung Widerstandselemente
gesteuert werden, die parallel oder in Reihe zu dem zu entzerrenden System liegen.
Außer den genannten Beispielen können auch alle anderen bekannten Mittel zur Anwendung
kommen, bei denen es möglich ist, durch die Steuerspannung eine Verzerrung herbeizuführen,
die der des zu linearisierenden Systems entgegengesetzt ist.
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Es ist für den Kompensationsvorgang von Wichtigkeit, daß die dynamische
Kennlinie des zu linearisierenden Systems für .die Steuerfrequenz die gleiche ist
wie für die zu übertragenden Nutzfrequenzen, was durch geeignete Bemessung der Kopplungs-
und Belastungswiderstände erreicht werden kann. Außerdem ist es zweckmäßig, dafür
zu sorgen, daß für sämtliche Frequenzen des zu übertragenden Bandes die Verstärkung
die gleiche ist, damit die Kompensation der nichtlinearen Verzerrungen für alle
Frequenzen in der gleichen Weise erfolgt. Läßt sich eine frequenzunabhängige Übertragung
innerhalb des gesamten Nutzfrequenzbereiches nicht durchführen, so sind die Anpassungen
für die Nutzfrequenz und für die Steuerfrequenz so zu wählen, daß die Kompensationswirkung
für diejenigen Frequenzen auftritt, für die die nichtlinearen Verzerrungen am größten
sind.
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Handelt es sich um einen Verstärker, bei dem mit Rücksicht auf die
angeschlossenen Stromkreise eine gewisse Frequenzabhängigkeit erwünscht ist, so
ist es für die Verwirklichung des Erfindungsgedankens zweckmäßig, den Verstärker
selbst frequenzunabhängig auszubilden und die gewünschte Frequenzabhängigkeit durch
zusätzliche Mittel vor oder hinter dem Verstärker herbeizuführen.
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In Fig. z ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens dargestellt.
h zeigt die Endröhre eines Verstärkers, der mit dem Scheinwiderstand B belastet
ist. Der Anschluß der Belastung erfolgt über das Kopplungsnetzwerk N. Der Anodengleichstrom
der Verstärkerröhre wird über den Widerstand R2 zugeführt. Zur Ankopplung des Netzwerkes
N an die Verstärkerröhre h dient der Kondensator C3. Die zu verstärkende
Eingangsspannung E wird dem Verstärker über den Transformator T zugeführt. Gemäß
der Erfindung ist eine Stromquelle St für die Steuerfrequenz vorgesehen und
über die Blockierungskondensatoren C1 und C2 an den Eingangskreis der Verstärkerröhre
angeschlossen. Umfür die Steuerfrequenz die gleiche Anpassung herbeizuführen. wie
für das zu übertragende Niederfrequenzband, ist mit dem Netzwerk N eine Zusatzschaltung
in Reihe gelegt, die aus der Induktivität L1, dem Kondensator C und dem Dämpfungswiderstand
R besteht. Diese Zusatzschaltung . ist so bemessen, daß sie gleichzeitig die hochfrequente
Verstärkung in solcher Größe festlegt, daß die Hochfrequenzamplituden einerseits
bezüglich der Kennlinienkrümmung klein bleiben, andererseits im Ausgang ausreichen,
um die Kompensationseinrichtungen zu steuern.
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über die Kopplung L1, L2 wird der Gleichrichter GZ mit der hochfrequenten
Ausgangsspannung gespeist, so daß an dem Widerstand R1 einer der Ausgangsamplitude
der Steuerfrequenz proportionale Spannung vorbanden
ist. Ein regelbarer
Teil des Widerstandes R1, der für die Niederfrequenz klein gegen die Impedanz der
Kapazitäten C1 und C2 ist, liegt in Reihe mit der Sekundärwicklung des Eingangstransformators
T im Eingangskreis der Verstärkerröhre. Auf diese Weise ist es möglich, den Arbeitspunkt
der Verstärkerröhre in Abhängigkeit von der für die Übertragung der Momentanwerte
der zu verstärkenden Niederfrequenzschwingung maßgebenden Steilheit derart zu steuern,
daß die durch die Steilheitsänderungen herbeigeführten Verzerrungen kompensiert
werden. Der Steuerkreis ist so auszubilden, daß die Regelung niederfrequenzmäßig
trägheitslos erfolgt.
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An Stelle der Beeinflussung des Eingangskreises der Endröhre kann
auch im Rahmen der Erfindung der Eingangskreis einer Vorröhre in- Abhängigkeit von
der Steilheit der Endröhre gesteuert werden, sofern die Arbeitskennlinie der Vorröhre
genügend linear verläuft. Diese Art der Steuerung hätte den Vorteil, daß kleine
Steuerimpulse ausreichen.
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Wie schon erwähnt, sind die verschiedensten bekannten Mittel für die
Durchführung der Kompensation brauchbar. An Hand der Fig. 2 seien einige Beispiele
erwähnt. Die an dem Widerstand R1 abgreifbaren Gleichspannungsschwankungen könnten
zur Beeinflussung der Vorspannung einer besonderen Kompensationsröhre dienen, deren
Kathoden-Anodenstrecke als veränderlicher Widerstand parallel zum Eingang oder zur
Belastung der Verstärkerröhre V geschaltet ist. Bei entgegengesetzter Beeinflussung
der Vorspannung dieser Kompensationsröhre könnte ihre Kathoden-Anodenstrecke auch
in Reihe mit dem Eingang oder mit der Belastung eingeschaltet werden.
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Als weiteres Mittel zur Durchführung der Kompensation sei die Beeinflussung
eines Kopplungswiderstandes innerhalb der Verstärkerschaltung in Abhängigkeit von
der Steuerfrequenz erwähnt. Beispielsweise könnte durch Änderung der Gleichstromvormagnetisierung
der Wechselstromwiderstand einer Drosselspule gesteuert werden.
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Für die Erzeugung der Steuerfrequenz ist in dem in Fig.2 dargestellten
Beispiel eine besondere Stromquelle vorgesehen. Es kann jedoch auch die zu entzerrende
Verstärkerröhre selbst zur Erzeugung der Steuerfrequenz durch Rückkopplung benutzt
werden, wenn dafür gesorgt wird, daß die Rückkopplung von der Vorspannung am Steuergitter
unabhängig gemacht wird. Dies könnte beispielsweise dadurch geschehen, daß die Rückkopplung
des Anodenkreises auf ein besonderes Gitter und nicht auf das Steuergitter vorgenommen
wird. In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens dargestellt,
bei dem die Regelung derart erfolgt, daß sie von Amplitudenschwankungen der zugeführten
Steuerfrequenz unabhängig ist. Das zu entzerrende Übertragungssystem S ist in ganz
allgemeiner Form als Achtpol dargestellt. Die zu übertragenden Nutzfrequenzen werden
bei E zugeführt. Die Belastung ist mit B bezeichnet. Außer den zu übertragenden
Nutzfrequenzen wird dem System gemäß der Erfindung eine Steuerfrequenz von der Stromquelle
St zugeführt. Zur Ausführung des Regelvorganges dient eine besondere Steuerröhre
SR, die mit zwei Gitter versehen ist. Dem einen Gitter G2 wird die im Ausgangskreis
des Übertragungssystems vorhandene Steuerfrequenz über den Gleichrichter G12 unter
Zwischenschaltung zweier Spannungsteiler P1 und P2 zugeführt. Das andere Gitter
G1 ist über den Gleichrichter Gli an die Stromquelle für die Steuerfrequenz angeschlossen.
Im Anodenkreis der Doppelgitterröhre liegt eine Regelwiderstandsanordnung RW. Der
an dieser auftretende Spannungsanfall wird in irgendeiner an sich bekannten Weise
zur Steuetung der Mittel, die eine Kompensation der nichtlinearen Verzerrungen herbeiführen
soll, benutzt. Die Potentiometer P1 und P2 dienen dazu, die Regelung allein vom
Verstärkungsmaß der Steuerfrequenz abhängig zu machen. Sind z. B. die Kennlinien
von Gll und G12 gleich, so wird mittels Pi die Steuerfrequenzamplitude an Gl. für
die gewollte Verstärkung im System S .gleich der an Gh gemacht. In analoger Weise
wird durch das Potentiometer P2, das auch vor dem Gitter G1 liegen kann, der Verschiedenheit
der Anodenstrombeeinflussung von G1 und G2 Rechnung getragen.
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Durch geeignete Bemessung der einzelnen Schaltelemente kann erreicht
werden, daß Schwankungen in der Amplitude der dem Gitter G1 zugeführten Steuerfrequenz,
die naturgemäß entsprechende Schwankungen auf der Ausgangsseite des Übertragungssystems
und damit am Gitter G2 zur Folge haben, den Anodenstrom der Steuerröhre nicht beeinflussen.
Es ist also für die Durchführung des Regelvorganges nicht erforderlich, Amplitude
und Phase der dem System zugeführten Steuerfrequenz genau konstant zu halten. Eine
Regelwirkung wird erst herbeigeführt, wenn sich der Quotient zwischen der dem System
zugeführten und der im Ausgang des Systems vorhandenen Spannung ändert. Die Änderung
dieses Quotienten ist unmittelbar ein Maß für die Steilheitsänderung der dynamischen
Kennlinie des Übertragungssystems.
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Die achtpolige Darstellung des Übertragungssystems S ist nur der Übersichtlichkeit
wegen gewählt worden. Es ist selbstverständlich
möglich, die Zu-
und Abführung der Steuerfrequenz auch an anderer Stelle vorzunehmen.