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Verfahren zum Empfang frequenz- oder phasenmodulierter Schwingungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Empfang frequenz- oder phasenmodulierter
Schwingungen.
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Der Modulationshub frequenz, oder Phasen= modulierter Schwingungen
wird im allgemeinen klein gewählt, um das Entstehen von Seitenbändern höherer Ordnung
zu vermeiden. Für eine wirkungsvolle Demodulation derartiger Schwingungen ist aber
bei den zur Zeit bekannten. Verfahren ein hoher Modulationshub erwünscht. ' Die
Erfindung sieht daher ein Verfahren zum Empfang einer frequenz- oder phasenmodulierten
Schwingung vor, bei dem die aufgenommene hochfrequente Schwingung fre= quenzvervielfacht
und durch Überlagerung mit einer Hilfsschwingung in eine von der Empfangsfrequenz
abweichende zwischenfrequente Schwingung mit hohem Modulationshub und gegenüber
dem Ergebnis der Vervielfachung wesentlich erniedrigter Frequenz verwandelt und
darin demoduliert wird.
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Für die Wirkungsweise der Erfindung ist wesentlich, daß durch die
Frequenzvervielfachung der Modulationshub erhöht wird und durch die nachfolgende
Überlagerung eine Schwingung verhältnismäßig niedriger Frequenz entsteht, welche
aber den bei der Vervielfachung entstandenen hohen Modulationshub besitzt. Der'
vergrößerte Modulationshub ist nämlich so lange für eine wirkungsvolle Umwandlung
der Phasen- oder frequenzmodulierten Schwingungen in amplitudenmodulierte Schwingungen
noch nicht von Nutzen, als die. Trägerfrequenz noch hoch ist. Denn wird etwa die
Umwandlung dadurch vorgenommen, daß man auf den abfallenden Ast der Resonanzkurve
eines gegen die Trägerfrequenz verstimmten Kreises arbeitet, ist es, da die Steilheit
dieses Astes bei gleicher Dämpfung des benutzten Kreises proportional zur Frequenz
abnimmt, für eine wirkungsvolle Umwandlung notwendig, das Verhältnis von Modulationshub
zur Trägerfrequenz heraufzusetzen. Dies wird aber erst durch die vorliegende Erfindung
bewirkt. Die entstehende niedrige Zwischenfrequenz .ermöglicht ferner eine bequeme
Filterung und Verstärkung. Es ist zwar schon ein Verfahren zur Demodulation Phasen-
oder frequenzmodulierter Schwingungen vorgeschlagen worden, bei der von der Empfangsschwingung
eine vervielfachte. Schwingung abgeleitet- wird, die mit der Empfangsschwingung
durch Anwendung des Überlagerungsprinzips auf eine der bei-. den Schwingungen in
der Frequenz in Übereinstimmung gebracht wird. Die beiden so erhaltenen Schwingungen
werden zwecks Umwandlang
in eine amplitudenmodulierte Schwingung
überlagert 'und dann demoduliert.
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Bei diesem Verfahren maß die Frequenz der vervielfachten und-gegebenenfalls
durch Überlagerung in eine Zwischenfrequenz um-.'
gewandelten Schwingung mit
der Freq'ue£iz=' der Empfangsschwingung, die gegebenenfalls auch in eine Zwischenfrequenz
umgewandelt sein kann, in genaue Übereinstimmung gebracht werden. Diese technisch
nicht immer ganz leicht zu erfüllende Vorschrift kommt bei der vorliegenden Erfindung
in Fortfall. Man kann die dem Demodulator zuzuführende Trägerzwischenfrequenz ganz
beliebig-wählen.
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Die Schwingungsumwandlung kann wie folgt mathematisch beschrieben
werden: Wenn der Ausdruck für eine phasenmodulierte Schwingung lautet e-A.sin(2nft+p.cos2nvt),
wobei f die Trägerfrequenz der aufgenommenen Schwingung, v die Modulationsfrequenz
und cp der Modulationshub ist, so entsteht durch eine Freqüenzvervielfachung auf
das N-fache e -A#sin(Z7rN#ft+Np#cos2nvt) und nach gleichzeitig angewandter Überlagerung
e-A#sin(27vi,t+Ncp.cos2nvt), wobei f1 die neue zwischenfrequente Trägerfrequenz
und N # (p der neue Modulationshub ist. Ähnlich lauten die Gleichungen für die Umwandlung
frequenzmodulierter Schwingungen. Der Vorteil besteht darin, däß der Hub beliebig
vergrößert werden kann, soweit es diese Modulationsarten überhaupt gestatten, und
daß trotzdem die Frequenz so niedrig gewählt werden kann, wie es für eine wirksame,
trennscharfe Verstärkung wünschenswert erscheint. Zur Demodulation der entstandenen
Schwingungen können alle bekannten Verfahren dienen, insbesondere solche, bei denen
die phasen- bzw. frequenzmodulierten Schwingungen in amplitudenmodulierte verwandelt
und dann gleichgerichtet werden. Gerade derartige Verfahren arbeiten günstiger bzw.
kommen mit kleinerem Aufwand an Sieb- -und Verzögerungsketten u. dgl. aus, wenn
der Modulationshub vergrößert wird.
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Abb. i zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dieser wird
ein besonderer Frequenzvervielfacher verwendet, Die von der Antenne i empfangenen
Schwingungen werden im Hochfrequenzverstärker 2 -verstärkt und in der Mischstufe
3 mit der dem Hochfrequenzos.zillator 4 entnommenen Schwingung überlagert. Die entstandene
Zwischenfrequenz wird im Zwischenfrequenzverstärker 5 verstärkt und dann im Frequenzvervielfacher
6 in einem bestimmten Maße vervielfacht. Die entstandene Schwingung von mittlerer
Trägerfrequenz und hohem Modulationshub wird -in der zweiten Mischstufe ? mit der
dem ebeg-:falls auf mittlerer Frequenz arbeitenden Oszillator 8 entnommenen Schwingung
überlagert, so daß, eine phasen- bzw. frequenzmodulierte Schwingung von sehr niedriger
Trägerfrequenz und erhöhtem Modulationsbub entsteht, die in den folgenden Empfängerteilen
trennscharf verstärkt und darauf d-emoduliert wird.
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Der Demodulator kann von irgendeiner bekannten Art sein, etwa -ein
solcher, bei dem die Schwingungen in amplitudenmodulierte verwandelt und dann auf
übliche Weise gleichgerichtet werden. Bei der in Abb. i gezeigten Ausführungsform
wird die Schwingung über den Transformator io sowohl auf das Steuer--gitfer der
Röhre 12 wie auf das der Röhre 14 gegeben. Im Anodenkreis der Röhre 12 liegt ein
aus den Sperrkreisen i 5 'und 16 bestehendes Filter. Dieses Filter soll die Eigenschaft
haben, daß es innerhalb des Frequenzbereiches, der durch- die- zwischenfrequente
Trägerwelle der Schwingung und die zugehörigen Seitenbänder gegeben ist, eine annähernd
linear abfallende Frequenzcharakteristik aufweist, wie es idealisiert Abb. 6 zeigt,
bei der f, die Trägerfrequenz, f o und f 1 die Seitenbänder darstellen. Es ist bekannt,
daß atü diese Art und Weise eine amplitudenmodulierte Schwingung entsteht, die bei
der hier vorliegenden Schaltung auf den Richtverstärker 17 gegeben, in diesem gleichgerichtet
und weiterhin über den Niederfrequenztransformator ig der Abhöreinrichtung 2o zugeführt
'wird. Die Wirkungsweise der Röhren 13, 14 und iß, ist die, daß diese eben geschilderteArt
der Umwandlung in amplitudenmodulierte Schwingungen und nachfolgender Gleichrichtung
wiederholt wird, allerdings unter Zuhilfenahme einer Frequenzcharakteristik, die
gerade den umgekehrten Verlauf nimmt, also in diesem Falle linear ansteigt, wie
es Abb. 5 zeigt. Diese Frequenzkurve wird nun nicht durch ein besonderes Filter
erzielt, sondern dadurch, daß man die Frequenzkurve nach Abb. 6 von einer solchen,
wie sie etvha Abb.7 zeigt, die also im betrachteten. Fr.equenzgebiet konstant ist,
in Abzug bringt. Physikalisch läßt sich diese Differenzbildung folgendermaßen erreichen:.
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Die Röhre 14, an deren Steuergitter die Eingangsschwingung gelegt
wird und in deren Anodenkreis der Filterkreis 22 liegt, der angenähert eine Resonanzkurve
gemäß Abb.7 hat, verstärkt alle Teilfrequenzen der frequenz- oder phasenmodulierten
Schwingungen gleichmäßig. - Die Anode der Röhre- 14 ist
aber verbunden
mit der Anode der Röhre 13, an deren Steuergitter die Ausgangsspannung der Röhre
12 über das Potentiometer 23 gelegt ist. Diese Schwingung ist gegenüber-der ursprünglichen
-um i8o° in der Phase verschoben und außerdem durch die Wirkung der Filterkreise
15, 16 frequenzmäßig so verzerrt, wie es Abb. 6 zeigt. Auf das Gitter der Gleichrichterröhre
18 wird also die Differenz der beiden Spannungen gegeben. Bei passender Einstellung
des P'otentiometers 23 ist die resultierende Resonanzkurve des mit *den Röhren 13
und 14 arbeitenden Verstärkerteiles ähnlich der in .Abt. 5 wiedergegebenen. Wird
auch noch das Potentiometer 21 passend eingestellt, so entsteht am Ausgang der Gleichrichterröhre
18 die niederfrequente Modulationsschwingung von gleicher Amplitude wie die am Ausgang
der Gleichrichterröhre 17 auftretende, aber entgegeng@esetzte_Phase. Der Anschluß
an den Transformator i9 hat dann nach AYt der Gegentaktschaltung zu erfolgen. Der
Schalter 24 erlaubt beim Empfang amplitudenmodulierter Schwingungen, bei dem die
am Ausgang der beiden Gleichrichterröhren .auftretenden Niederfrequenzspannungen.
gleich. phasig sind, die untere Primärwicklung des Transformators i9 wahlweise im
Gleichtakt anzuschalten. Der Schalter 26 bietet die Möglichkeit, die Abhöreinrichtung
2o nach :Wahl entweder unmittelbar mit der Sekundärwicklung des Transformators oder
@ über ein Filter zu verbinden.
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Bei der Anordnung gemäß Abb.2 erfolgt die Frequenzvervielfachung und
die überlagerung gleichzeitig in einer einzigen Stufe. Die von der Antenne i empfangene
und im Hochfrequenzverstärker 2 verstärkte Schwingung wird auf das Steuergitter
G1, die vom Oszillator q. entnommene Schwingung auf das als zweites Steuergitter
dienende Fanggitter G2 der Penthode 3 gegeben. Die Frequenzvervielfachung der Eingangsschwingung
wird dadurch erreicht, daß das Steuergitter G1 so stark negativ vorgespannt wird,
daß man auf dem gekrümmten Teil der-Kennlinie arbeitet.
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In Abb. 3 sind mehrere Kennlinien des Anodenstromes J" in Abhängigkeit
von der Spannung Egl des ersten SteuergittersGl fürverschiedene feste Vorspannimgen
Eg= des Steuergitters G2 aufgetragen, .entsprechend in Abb. q. verschiedene Kennlinien
des Anodenstromes in Abhängigkeit von der Spannung Egg des zweiten Steuergitters
G2 bei verschiedenen Vorspanntuwgen Eg, des ersten Steuergitters G1. Wird die Gittervorspannung
etwa des ersten Steuergitters so gewählt, daß man nicht auf dem linearen Teil der
Kennlinie, also in der Nähe des Punktes a (s. Abb. 3), sondern auf dem stark gekrümmten
unteren Kennlinienteil, also in der Nähe von b, arbeitet, so enthält, die Reihenentwicklung
der Kennlinie in starkem Maße die höheren Potenzen der Spannung, und im Anodenstrom
treten die entsprechenden Harmonischen der an das Gitter gelegten Schwingung auf.
Ist Beispielsweise in der Reihenentwicklung der Koeffizient der dritten Potenz besonders
stark, so entsteht im Anodenkreis die dritte Har= monische der einfallenden Schwingung.
Gleichzeitig -wird der Modulationshub verdreifacht. Wird jetzt an das andere Steuergitter
eine weitere Wechselspannung gelegt, so entstehen durch rryultiplikative Mischung
alle Summen und Differenzen der durch die Wirkung der beiden Gitter einzeln hervorgerufenen
Frequenzen. Im Zwischenfrequenzverstärker 5 wird die modulierte Zwischenfrequenz
herausgesiebt, verstärkt und der Demodulatoreinrichtung zugeführt. Bezüglich der
Vorspannung Egz des zweiten Steuergitters G2, an das die Oszillatorschwingung gelegt
wird, ergeben sich verschiedene Möglichkeiten. Arbeitet man auf dem linearen Teil
der Kennlinie von G2, so überlagern sich die Harmonischen der Empfangsfrequenz mit
der Grundfrequenz der Oszillatorschwingung. Wird dagegen auch das Oszillatorgitter
negativ vorgespannt, so kommt es zu einer multiplikativen Mischung und damit zu
einer Überlagerung von Harmonischen der Empfangsfrequenz mit Harmonischen der Oszillatorfrequenz.
Die Erhöhung des Modulationshubes ist nur durch das Vervielfachungsverhältnis der
Empfangsfrequenz gegeben.
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Zur gleichzeitigen Mischung und überlager ung kann natürlich eine
regelrechte Mischröhre verwendet werden. Die Wirkung läßt sich aber auch bereits
mit einem Triodengleichrichter erzielen.
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Ferner ist es möglich, vor oder hinter der Mischstufe, die zur gleichzeitigen
Fr:equerizvervielfachung rund überlagerung dient, noch gewöhnliche flberlagerungsstubeneinzuschalten.
Die hier beschriebene Einrichtung arbeitet i bei jeder Frequenz.
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Die Demodulationseinrichtung wendet ebenfalls ein bereits vorgeschlagenes
Verfahren an, nach dem die phasen- oder frequenzmodulierte Schwingung in amplitudenmodulierte
i verwandelt und :dann gleichgerichtet wird. Die Schwingung wird auf den Kettenleiter
32 gegeben. Die am Ausgang abgegriffene Spannung ist gegenüber der Eingangsspannung
verzögert, d. h. in der Phase verschoben. Diese Phasenverschiebung ist für die einzelnen-
Frequenzen des Freqnenzgemisches eine verschiedene. Wird nun das. Ausgangsfrequenzgeniisch
mit dem Eingangsfr.equenzgemisch addiert, so entsteht eine amplituden; i modulierte
Schwingung. Im vorliegenden Falle wird, wie das Schaltungsschema zeigt; die
nicht
verzögerte Schwingung über den Transformator 27 gegenphasig auf die beiden Steuergitter
der Gleichr:chterröhmen 28 und 29 gegeben, die vom Kettenleiter abgegriffene, verzögerte
Schwingung gleichphasig. Die im Ausgang der beiden Gleichrichter ;entstehenden niederfrequenten
Modulationsspannungen werden über die Übertragungsglieder 40, q. i im Gegentakt
auf die Endverstärkerröhren 30 und 3i- und sodann über den Transformator
19 auf die Abhöreinrichtung 2o gegeben. Beire Empfang amplitudenmodulierter
Schwingungen arbeiten die Gleichrichter wie die Endröhren im niederfrequenten Gleichtakt.
Daher muß in diesem Falle die eine Hälfte der Primärwicklung des Transformators
i9 durch den Schalter 24 umgepolt werden. 35 stellt einen statischen Schirm dar,
durch den die Wicklungen des Zwischenfrequenztransformators 27 voneinander abgeschirmt
sind.
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Das beschriebene Empfangsverfahren ist für frequenz- wie für phasenmodulierte
Schwingungen verwendbar. Ein Unterschied in dem Empfang mit beiden Modulationsarten
besteht in folgendem: Wenn der Empfänger beim Empfang frequenzmodulierter Schwingungen
die Modulation frequenzgetreu wiedergibt, so wird derselbe Empfänger, wie die Rechnung
. nachweist, beim Empfang einer phasenmodulierten Schwingung die tiefen Töne auf
Kosten der hohen vernachlässigen. Die Frequenzverzerrung kann durch besondere Entzerrungsketten
wieder ausgeglichen werden, freilich nur dann, wenn die Demodulationseinrichtungen
für die den tiefen Tönen entsprechenden, nur mit sehr geringem Frequenzmodülationshub
auftretenden Spannungen noch wirksam sind. Die Erhöhung des Modulationshubes, wie
sie durch die vorliegende Erfindung erzielt wird, .erleichtert somit die Verwendung
eines Empfängers für den gleichzeitigen Empfang frequenz- und pbasenmodulierter
Schwingungen.