DE621204C - Verfahren zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Stromes - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 2. NOVEMBER 1935

. REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Vr 621204 KLASSE 21a⁴ GRUPPE 14oi

Edwin H. Armstrong in New York Verfahren zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Stromes

Patentiert im Deutschen Reiche vom 24. Januar 1934 ab'

ist in Anspruch genommen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Stromes.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß von regulärer Phasenmodulation ausgegangen und die· Phasendrehung durch besondere frequenzabhängige Glieder in der niederfrequenten Leitung umgekehrt proportional der Niederfrequenz bewirkt wird.

to Dieses Verfahren unterscheidet sich von den bekannten ähnlichen Zweckes mit Vorteil insbesondere dadurch, daß mit aperiodischen Mitteln, d. h. z. B. ohne Resonanzkreise, gearbeitet werden kann, so daß störende Schwingungen ausgeschlossen sind.

Das vorliegende Verfahren wird dadurch noch weiter vervollkommnet, daß von niedrigerer Ausgangsfrequenz ausgegangen und auf die Trägerfrequenz in an sich bekannter Weise vervielfacht wird.

Fig. ι zeigt das allgemeine Schaltbild.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die Phasenbeziehungen in der nachstehend beschriebenen Anordnung erläutert.

In Fig. ι ist ein eine konstante Frequenz erzeugender Oszillator mit 1 bezeichnet; er ist vorzugsweise kristallgesteuert. 2 ist ein Ausgangsverstärker dieses Oszillators mit einem Widerstand 3 in seinem Anodenkreis, der im Vergleich zur Impedanz der Röhre klein ist. 4 und 5 sind in gleicher Weise Ausgangsverstärker des Oszillators 1. Mit 6 bezeichnet ist ein Transformator zur differenten Modulation der Anodenspannungen für die Röhren 4 und 5 mittels des Signalstromes, der der Primärwicklung des Transformators zugeführt wird. 7 und 8 sind Kondensatoren, welche die beiden Hälften der Sekundärwicklung des Transformators 6 überbrücken. Mit 9 und 10 sind Induktanzen bezeichnet, deren Impedanz· für die Frequenz des Oszillators klein im Vergleich zur Impedanz der Röhren 4 und 5 ist, und 11 ist eine Induktanz, deren Eigenfrequenz im Vergleich zur Frequenz des Oszillators ■ groß ist. Sie ist mit den Spulen 9 und 10 differential gekoppelt. 12 stellt einen Verstärker für den Ausgang der Röhren 4 und 5 dar. Seine Anode liegt mittels Potentiometerabgriffes an dem Widerstand im Anodenkreis des Verstärkers 2. Die vereinigten Ausgangsleitungen der Röhren 2 und 12 werden den Verstärkern 15, 16 und dann über einen Strombegrenzer 17, ein Filter 18, zur Reinigung von Harmonischen, einen Frequenzerhöher 19, den Kraftverstärker 20 zur Antenne 22 geführt.

Die Anlage arbeitet wie folgt: Die EMK der Oszillatorausgangsleitung wird dem Gitter des Verstärkers 2 aufgedrückt, wodurch

ein Strom der gleichen Frequenz im Anodenkreis des Verstärkers entsteht. Dieser Strom ist mit der EMK in Phase, welche dem Gitter aufgedrückt wird, weil die Impedanz des Anodenkreises ein reiner Ohmscher Widerstand ist und die Frequenz, von der man ausgeht, einen solchen Wert hat, daß die Kapazität der Röhre zu vernachlässigen ist. Auf diese Weise entsteht ein Spannungsabfall ίο über den Anodenwiderstand, und die Phase dieser Spannung ist um i8o° gegenüber derjenigen der dem Gitter aufgedrückten EMK verschoben.

Die gleiche dem Gitter des Verstärkers 2 aufgedrückte Spannung wird auch den Gittern der Röhren 4 und 5 zugeleitet, und zwar mit der gleichen Phase, da alle drei Gitter parallel liegen. Indem man die Reaktanzen der Spulen 9 und 10 im Verhältnis zur Impedanz der 'Röhren 4 und 5 klein wählt, und indem man weiter die Kondensatoren 7 und 8 so einstellt, daß die Reaktanzen 9 und 10 kompensiert werden, kann man den in den Anodenkreis der Röhren 4 und 5 gebildeten Strom in Phase mit der den Gittern aufgedrückten EMK bringen. Die durch die Ströme in den Spulen 9 und 10 -in die Spule 11 induzierten EMKe sind gegen die Ströme in diesen Spulen um 90⁰ versetzt. Die von dem Strom einer der Spulen 9 und 10 in die Spulen induzierte EMK ist daher um 90° außer Phase mit der den Gittern der Röhren 2, 4 und 5 aufgedrückten Spannung. Die EMK in der Spulen kann entweder 90° gegenüber der EMK des Gitters dieser Röhren vor- oder nacheilen, je nachdem, welche Polarität die Spulen 9 und 10 in bezug auf die Spule 11 aufweisen. Diese Spule 11 ist mit den Spulen 9 und 10 derart differential gekoppelt, daß, wenn die Anodenströme der Röhren 4 und 5 gerade nicht moduliert werden, die in die Spulen induzierte EMKo wird.

Wenn nun durch Modulation vom Transformator 6 her die Anodenspannung der Röhre 4 beispielsweise erhöht und die Anodenspannung der Röhre 5 entsprechend erniedrigt wird, so wird sich in der Spule 11 eine in bezug auf die den Gittern des Verstärkers 2 aufgedrückte Spannung um 90 ° vor- oder nacheilende EMK bilden. In gleicher Weise wird, wenn die Anodenspannung der Röhre 4 verringert und die der Röhre 5 erhöht wird, in der Spule 11 eine EMK entstehen, welche entweder der dem Gitter des Verstärkers 2 aufgedrückten Spannung um nach- oder voreilt/Es sei für die Betrachtung der Fig. 2 angenommen, daß die Spule 11 eine solche Polarität in bezug auf die Spulen 9 und 10 besitzt, daß bei Erhöhung der Anodenspannung in der Röhre 4 und bei Verringerung der Anodenspannung in der Röhre 5 die in die Spule 11 induzierte Spannung der dem Gitter der Röhre 2 aufgedrückten Spannung um 90 ° voreilt, und daß bei Verringerung der Anodenspannung in 4 und Erhöhung der Spannung in 5 die in 11 induzierte EMK der Gitterspannung der Röhre 2 um 90 ° nacheilt.

Die Fig. 2 zeigt indirekt, wie durch die vektorielle Zusammensetzung der Spannungen die Frequenz im Wechsel erhöht und erniedrigt wird. Mit A sind der Modulationsstrom im Transformator 6 und mit B die die Modulationsfrequenzen besitzenden Anodenspannungen der Röhren 4 und 5 bezeichnet, während C die vektorielle Zusammensetzung der im Anodenkreis der Röhre 2 erzeugten Hochfrequenzspannungen darstellt. Die in dem System herrschenden Bedingungen für den Nullwert des Modulationsstromes sind durch den PunktE in der Kurvet gekennzeichnet. Wenn dieser Strom ο ist, so sind die Anodenspannungen der Röhren 4 und 5 gleich, und es wird daher keine Spannung in die Spule 11 induziert. Die einzige Spannung am Anodenwiderstand 3 der Röhre 2 ist jene, welche von der Spannung des eigenen Gitters herrührt. Dieser Zustand wird durch den Vektor MiV wiedergegeben. Wenn nun im Transformator 6 Strom fließt, wie in der Kurvet durch den PunktF gekennzeichnet, so sind die Anodenspannungen der Modulationsfrequenz in den Röhren 4 und 5 verschieden, wie-es die Kurve B erkennen läßt. Infolgedessen wird in die Spule 11 eine EMK induziert, die der EMK um 90 ° voreilt, welche dem Gitter der Röhre 2 zugeführt wird; diese EMK der Spule 11 eilt in der Phase der Spannung um 90 ° nach, die am Widerstand 3 des Anodenkreises herrscht und welche in der Darstellung C durch den Vektor MN wiedergegeben wird. Die der Spule 11 induzierte EMK wird dem Gitter des Verstärkers 12 zugeführt und erzeugt in dessen Anodenkreis einen phasengleichen Strom. Dieser Strom erzeugt in dem Teil des Widerstandes 3, der im Anodenkreis der Röhre 12 liegt, eine EMK, die um i8o° außer Phase ist in bezug auf die Spannung, welche in der Spule 11 herrscht, und daher um 90 ° der EMK voreilt, die an dem Widerstand 3 herrscht und von der Röhre 2 herrührt. Die senkrecht stehende Spannung ist mit ON bezeichnet, und die Zusammensetzung dieser beiden Spannungen erzeugt eine neue Spannung MO, die der ursprünglichen Spannung MiV um einen Winkel Ot₁ voreilt, dessen Größe von dem Verhältnis der beiden ihn bildenden Spannungen abhängt. Wenn der Punkt G in der Kurve A erreicht ist, so sind die gleichen Bedingungen wie in Punkt E wiederherge-

stellt, und die einzige Spannung, die an den Klemmen des Widerstandes 3 herrscht, ist die durch den Vektor MN wiedergegebene. Wenn der Punkt H erreicht wird, so liegen die Verhältnisse genau umgekehrt wie im Punkte F, und der Vektor PN stellt die Spannung dar, die an dem Teil des Widerstandes 3 herrscht, der im Anodenkreis der Röhre 12 liegt und die dem Vektor MN um 90⁰ nacheilt. Die neue Spannung MP eilt der Spannung MN um einen Winkel a₂ nach, dessen Größe von dem Verhältnis der beiden ihn bildenden Spannungen abhängt und der gleich dem Winkel Os₁ ist.

Man ersieht also, daß die Wirkung des Systems 4, 5 und 12 darin besteht, die Phase der dem Gitter der Röhre 15 zugeführten Spannung abwechselnd in bezug auf die Phase der konstanten Frequenz des Oszillators ι vor- und nacheilen zu lassen. Die Frequenz der dem Gitter der Röhre 15 aufgedrückten EMK liegt aber abwechselnd oberhalb und unterhalb der Frequenz des eine konstante Frequenz erzeugenden Oszillators 1.

Das Verhältnis dieser Änderung ist in Übereinstimmung mit der Frequenz des Modulationsstromes im Transformator 6, und die Größe der Änderung hängt von dem Verhältnis der von der Röhre 12 erzeugten, an den Klemmen des Widerstandes 3 herrschenden EMK zu der von der Röhre 2 herrührenden Spannung ab. Um eine Proportionalität zwischen der Amplitude des Modulationsstromes und dem Winkel der Phasenverschie- bung einzuhalten, ist es erforderlich, die von der Röhre 12 herrührende senkrecht stehende Spannung in bezug auf 'die Spannung klein zu halten, die von der Röhre 2 herrührt. Wenn das Maximum der von der Röhre 12 herrührenden Spannung am Widerstand 3 bei Extremwert irgendeiner Modulation kleiner als 58 °/o des beständigen, am Widerstand herrschenden und von der Röhre 2 herrührenden Spannungswertes ist, so wird der Winkel der Phasenverschiebung unterhalb 30 ° liegen. Unter diesen Umständen wird der Winkel der Phasenverschiebung ungefähr proportional der Spannung sein, die von dem Modulationssystem herrührt und die ihrerseits direkt proportional der Spannung ist, die dem Eingangskreis der das Modulationssystem steuernden Verstärkerröhre zugeführt wird. Dies ergibt sich daraus, daß der Sinus des Winkels α, der die am Widerstand herrsehende Modulationsspannung wiedergibt, und der Winkel «, der die Phasenverschiebungen bezeichnet, für alle praktischen Fälle direkt proportional sind für Werte von weniger als 30⁰. Da die zur Phasenverschiebung erforderliche Zeit umgekehrt proportional der Modulationsfrequenz ist, so ergibt sich, daß die Frequenzänderung der dem Gitter der Röhre 15 zugeführten EMK bei Konstanthaltung der aufgedrückten Modulationsspannung direkt proportional ist der Frequenz des Modulationsstromes. Um also Frequenzhub, d. h. Änderung der Trägerfrequenz zu bewirken, die über den ganzen Bereich der Modulationsfrequenz konstant bleibt, ist es erforderlich, eine Korrektion im Eingang des Modulationskreises vorzusehen, welche eine dem Transformator 6 zugefühfte Spannung erzeugt, die der Frequenz umgekehrt proportional ist, d. h. für einen konstanten Wert der dem Eingangskreis des Systems aufgedrückten Modulationsspannung muß der erzeugte Phasenverschiebungswinkel umgekehrt proportional der Frequenz der Modulationsspannung sein. Dies wird mittels einer Widerstandskondensatorkombination 27, 28 erreicht,-deren Widerstand 27 (der für die Modulationsfrequenzen im Verhältnis zur Impedanz des Kondensators 28 groß ist) in Reihe mit der Sekundärwicklung des Transformators 26 liegt, so daß der von dem Kondensator herrührende Spannungsabfall auf das Gitter des Verstärkers 29 wirkt. Eine zweite Verstärkerstufe 30, 31 hebt die korrigierte Spannung auf einen zur Steuerung des Modulationssystems hinreichenden Betrag.

Um eine Proportionalität, d. h. ein verzerrungsfreies Arbeiten der Frequenzverschiebung und der Amplitude des Modulationsstromes zu gewährleisten, ist es nicht zweckmäßig, die Phasenverschiebung des Winkels α größer als 30 ° zu wählen, weil man außerhalb dieses Wertes einem Anwachsen der Verzerrung begegnet. Die unterste Modulationsfrequenz, bei welcher infolge des Korrektionssystems 27, 28 dem Modulator die größte Spannung zugeführt wird, wird daher auf eine 3Ogradige Phasenverschiebung begrenzt.

Um nun eine effektive Veränderung der Frequenz zu erhalten, die mit jener vergleichbar ist, welche mit der üblichen Methode der Frequenzwandlung eines Oszillators vergleichbar ist, ist es bei niedrigen Modulationsfrequenzen erforderlich, eine Phasenverschiebung zu erzeugen, welche einer Vielzahl vollständiger Umdrehungen entspricht. Nimmt man beispielsweise an, daß die höchste Modulationsrrequenz 5000 Perioden beträgt und daß eine Phasenverschiebung von 45 ° der ausgestrahlten Wellen erforderlich ist, um eine iooprozentige Modulation bei dieser Modulationsfrequenz zu erreichen, so wird bei 39 Perioden eine Phasenverschiebung von 5760 ° der ausgestrahlten Wellen erforderlich sein, um' den gleichen Modulationsgrad zu er- iao reichen. Dies wird durch aufeinanderfolgende Frequenzvervielfachungen erreicht, so daß

mit jeder attfeinanderfolgenden Verdoppelung der Phasenverschiebungswinkel verdoppelt oder mit jeder Verdreifachung auch der Winkel verdreifacht wird. Indem man die Ausgangsfrequenz in geeigneter Weise hinreichend klein in bezug auf die Frequenz der zu übertragenden Wellen wählt, kann man jede gewünschte Frequenzveränderung erzielen.

ίο ' Um das zu erreichen, was man bei der Amplitudenmodulation als vollständige oder iooprozentige Modulation bezeichnet, ist es wesentlich, daß die Phasenverschiebung - der übertragenen Wellen für die höchste Frequenz der Modulation in der Größenordnung von 45⁰ liegt. Die Zahl der Multiplikationen muß daher hinreichend sein, um mindestens eine Phasenverschiebung bei der höchsten Modulationsfrequenz zu erreichen. Nimmt man beispielsweise an, daß die niederste Modulationsfrequenz 39 Hertz beträgt und daß dabei eine Phasenverschiebung von 30⁰ auftritt, so wird bei 78 Hertz eine Phasenverschiebung von 15° und für 156 Hertz eine solche von 7^₂ ⁰ auftreten usw., bis bei einem Modulationsstrom von. 5000 Hertz die Phasenverschiebung nur noch 0,234° beträgt. Wie obenstehend erläutert wurde, ist für die übertragenen Wellen mindestens eine Phasenverschiebung von 45° bei der höchsten Modulationsfrequenz erforderlich, um eine iooprozentige Signalstromamplitude zu erhalten. Infolgedessen muß die o,234gradige Phasenverschiebung etwa vereinhundertundzweiundneunzigfacht werden, um die gewünschte 45gradige Phasenverschiebung der übertragenen Wellen zu erhalten. Dies wird mittels eines Frequenzvervielfachers erreicht, der aus fünf Verdopplern und aus einer verdreifachenden Einheit besteht, welche die gewünschte Erhöhung der Phasenverschiebung bei der Modulation von 5000 Hertz hervorrufen. Bei einer Modulationsfrequenz yon 2500 Hertz wird entsprechend eine Phasenverschiebung der übertragenen Wellen von 90° erzeugt, bei 1250 Hertz eine solche von i8o° usw., bis bei einer Modulationsfrequenz von 39 Perioden eine Phasenverschiebung von 5760⁰ oder 16 vollständigen Kreisläufen auftritt. Es sei hervorgehoben, daß bei der vorliegenden Anordnung die Erzeugung der Frequenzänderung durch aperiodische Anordnungen hervorgerufen werden kann. Dies be-' sagt, daß kein Resonanzkreis vorhanden zu sein braucht, dessen Eigenschwingung verändert werden muß, um eine Frequenzänderung zu erreichen. Infolgedessen erfolgt der ganze Arbeitsvorgang ohne die Schwierigkeiten, die sich aus der Anwesenheit von Oberschwingungen, S tor schwingungen o. dgl.

ergeben. Das Verfahren ist mithin für die Zwecke der Bildtelegraphie, des Fernsehens u. dgl. gut geeignet, wo die Modulationsgrößen weit höhere Werte besitzen als bei der Übertragung von Hörfrequenzen.

Wenn Modulationsfrequenzen verwendet werden, die erheblich höher liegen, als? sie zur Übertragung von Tönen erforderlich sind, also Frequenzen, wie sie beispielsweise in Fernsehgeräten auftreten, so ist es wünschenswert, gleich mit einer höheren Anfangsfrequenz im Hauptoszillator zu beginnen als im Falle einer" Hörfrequenzübertragung. Es kann daher Schwierigkeiten bereiten, die erforderlichen Vervielfachungen der Phasenverschiebung hervorzurufen, bevor die resultierende Frequenz eine Größe erreicht hat, die höher ist als jene, bei welcher gesendet werden soll. Diese Schwierigkeit kann auf zweierlei Weise behoben werden, deren eine darin besteht, mit der Vervielfachung der Phasenverschiebung unabhängig von der resultierenden Frequenz so lange fortzufahren, bis die gewünschte Vollumdrehungszahl erreicht ist, „die resultierende Frequenz sodann auf den gewünschten Wert herabzuwandeln, sie zu verstärken und schließlich zu senden. Der andere Wert besteht darin, die Frequenz auf irgendeinen· Wert zu vervielfachen, der unter der Frequenz liegt, welche gesendet werden soll, worauf sie auf irgendeinen Bruchteil der zu sendenden Frequenz umgewandelt, sodann wieder auf die zu übertragende Frequenz erhöht, verstärkt und schließlich gesendet wird. Die Auswahl der Frequenz, bei welcher diese Frequenzerhöhung oder -erniedrigung ausgeführt wird, ist durch die Anzahl der vollen Umdrehungen der gewünschten Phasenver-Schiebung gegeben.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß von regulärer Phasenmodulation ausgegangen und die Phasendrehung durch besondere frequenzabhängige Glieder in der niederfrequenten Leitung umgekehrt proportional der Niederfrequenz bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von niedrigerer Ausgangsfrequenz ausgegangen und auf die Trägerfrequenz in an sich bekannter Weise vervielfacht wird.

3. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Generator konstanter Frequenz, der parallel an die Gitter dreier Röhren angeschlossen ist, wo-

. bei der Anodenkreis der ersten Röhre

einen Ohmschen Widerstand mit Potentiometerabgriff aufweist und an das Gitter einer weiteren Röhre angeschlossen ist, während die Anodenkreise der beiden anderen Röhren einen primär im die Phase der Modulationsspannung umgekehrt proportional zur Frequenz verschiebende, zweckmäßigerweise aus Widerstand und Kondensator bestehende Kombination besitzenden Modulationskreis liegenden Transformator und je eine durch Kapazität ausgleichbare Induktivität aufweisen, die mit einer weiteren Induktivität differential gekoppelt sind und letztere zweckmäßigerweise über einen Verstärker über den Potentiometerabgriff am Eingang der erstgenannten Röhre liegt, die vorteilhaft über Strombegrenzer, Verstärker und Filter mit der Antenne verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen