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Schaltung zum Empfang oder zur Verstärkung von Hochfrequenzsignalen
Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungen zum Empfang oder zur Verstärkung von
Hochfrequenzsignalen, bei welchen in. Abhängigkeit von der Amplitude der übertragenen
Schwingungen eine selbsttätige Regelung des Verstärkungsgrades mehrerer Verstärkerstufen
erfolgt, indem in mehr als zwei im Hauptübertragungskanal einer derartigen Schaltung
liegenden. Verstärkereinheiten die Verstärkung durch Zuführung einer Regelspannung
am Eingangssteuergitter in umgekehrtem Sinne zur Amplitude der übertragenen Schwingungen.
geregelt wird. Schaltungen von dieser Art sind in -der Empfangstechnik besonders
zum Ausgleich von Amplitudenschwankungen allgemein bekannt. Gewöhnlich wurden die
für die einzelnen geregelten Verstärkereinheiten nötigen Regelspannungen einfach
von einem Gleichrichter erzeugt und von diesem über geeignete Kopplungen oder Spannungsteiler,
d. h. über lineare Glieder, den einzelnen geregelten Stufen zugeleitet. Infolge
dieser Abzweigung aller Regelspannungen von demselben Gleichrichter hatten alle
Regelspannungen. auch grundsätzlich den gleichen. Verlauf in Abhängigkeit von der
Amplitude der dem Gleichrichter zugeführten Schwingungen; sie konnten sich, etwa
bei Anwendung einer Spannungsteilerschaltu_n.g, nur um konstante Faktoren voneinander
- unterscheiden.
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Schon frühzeitig hatte man erkannt, daß es
zur Verringerung
der Wirkung von Störschwingungen, die in die einzelnen Verstärkerstufen einer Anordnung
eindringen, darauf ankommt, der ersten Verstärkerstufe eine möglichst große Verstärkung
zu geben und diese auch bei allen Betriebszuständen möglichst in ihrer vollen Größe
auszunutzen. Dann gelangt nämlich die im allgemeinen sehr geringe Empfangsspannung
am Eingang der ersten Verstärkerstufe schon wesentlich verstärkt auf die zweite
Verstärkerstufe und hebt sich dort besser von den in die zweite Verstärkerstufe
eindringenden Störungen ab. Auf Grund dieser Erkenntnis wurde in einer bekannten
Schaltung eine Anordnung zur Verstärkungsregelung benutzt, bei der durch zwei vom
Benutzer einzustellende, aber in ihrer Bewegung zwangsläufig miteinander gekoppelte
Abgriffe an zwei Spannungsteilern zuerst die Verstärkung in einer nachgeschalteten
Verstärkerstufe vermindert und erst dann die Verstärkung in der Eingangsstufe herabgesetzt
wurde.
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Die Anwendung dieses für eine Handregelung bekannten Prinzips auf
selbsttätige Regelungen bot Schwierigkeiten. Eine bekannte Schaltung mit einem mehrfach
angezapften Spannungsteiler für die Abnahme der einzelnen Regelspannungen von einem
gemeinsamen. Regelspannungserzeuger erfüllte dieses Prinzip nicht, denn wenn auch
die einzelnen Regelspannungen sich in verschiedenem Maße änderten, so blieb doch
der Grundsatz des gleichzeitigen Anfangs der Regelwirkung in allen Stufen bestehen;
dies bedeutete aber, daß bei einem Ausmaß der Regelung, bei welchem in der nachgeschalteten
Stufe die Verstärkung noch nicht auf ihren Minimalwert verringert zu sein brauchte,
schon notwendigerweise eine merkliche Herabsetzung der Verstärkung in der Eingangsstufe
bewirkt sein mußte.
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Durch die Erfindung wird eine bessere Arbeitsweise einer Schaltung
mit selbsttätiger Regelung gewährleistet, die nicht nur hinsichtlich des aufeinanderfolgenden
Einsatzes der Regelwirkung dem gewünschten Verhalten entspricht, sondern auch eine
verbesserte Gesamtselektivität gegenüber solchen Störungen ergibt, die schon von
der Antenne her in den Empfänger eindringen. Erfindungsgemäß sind dazu die Regelspannungen
für die einzelnen zu regelnden Verstärkereinheiten von verschiedenen Punkten des
Hauptübertragungskanal-es für jede Verstärkereinlieit getrennt von den übrigen Regelspannungen
hergeleitet und durch die an diesen Punkten vorhandene Amplitude der Übertragungsschwingungen
bestimmt; außerdem sind zwischen den Punkten des Hauptübertragungskanals, von welchen
Regelspannungen hergeleitet werden, derartige Übertragungsmittel eingeschaltet,
daß die Amplitude der Übertragungsschwingungen an den genannten Al)-nahmepunkten
sich in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude und/oder Eingangsfrequenz nach verschiedenen
Gesetzen ändert. Je nach der Ausbildung der benannten Übertragungsmittel als nichtlinear
mit der Amplitude oder als frequenzabhängig übertragende Glieder kann ein verschiedenes
Verhalten der einzelnen Regelungen erzielt werden. Sind beispielsweise, wie bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, zwischen den Punkten der Schaltung,
von welchen Regelspannungen hergeleitet werden, Verstärkerstufen wirksam, deren
V erstärkung der Regelung unterworfen ist, so läßt sich ein aufeinanderfolgendes
Einsetzen der Regelwirkung in den einzelnen Stufen erzielen, wobei die Verstärkung
einer weiter vorn im Verstärker liegenden Stufe nicht eher herabgesetzt wird, ehe
die Verstärkung der nachfolgenden geregelten Stufen nicht bis auf ihr Minimum vermindert
ist. Sind aber entsprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung zwischen
den. Abnahmepunkten Frequenzselektionsmittel wirksam, so ergibt sich ein günstiges
Verhalten der Schaltung gegenüber Störungen, was später noch genauer erklärt werden
wird.
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Es sei erwähnt, daß bereits Anordnungen zur gleichzeitigen Verstärkungsregelung
zum Zwecke eines Schwundausgleichs und zur Geräuschunterdrückung bekannt sind. Dabei
werden für die Erzeugung der zu den beiden voneinander unabhängigen Regelungen erforderlichen
Regelspannungen verschieden-, Gleichrichter verwendet. Bei diesen bekannten Anordnungen
tritt aber nicht das der Erfindung eigentümliche Zusammenwirken. der einzelnen Regelungen
ein; die Einzelregelungen sind vielmehr von verschiedener Art und dienen verschiedenen
Zwecken, wobei in der bekannten. Anordnung die eine Regelung mit wachsender Amplitude
die Verstärkung erhöht, während die andere Regelung mit wachsender Amplitude die
Verstärkung vermindert.
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Es ist auch ein Empfänger mit gleichzeitiger Schwund- und Trennschärfenregelung
vorgeschlagen worden, bei welchem in mehreren Stufeneine von verschiedenen Abnahmepunkten
am Hauptübertragungskanal hergeleitete Trennschärfenregelung erfolgt und gleichzeitig,
bedingt durch die Art der Schaltung, in den gleichen Stufen eine Verstärkungsregelung
eintritt. Dabei wird die mit der Signalstärke anwachsende negative Regelspannung
den Bremsgittern der Verstärkerröh.ren zugeleitet, in deren Anodenkreisen die zu
beeinflussenden Selektionskreise
liegen. Auch wurde vorgeschlagen,
im Hauptübertragungskanal eines Empfängers außer der gewöhnlichen selbsttätigen
Verstärkungsregelung eine besondere Regelung für die Eingangsstufe oder einige der
dem Eingang nächsten Stufen eines Empfäng,ers vorzusehen. Diese zusätzliche Regelung
soll dabei durch eine getrennt von der Hauptregelung erzeugte Regelgröße gesteuert
werden, die von einem Punkt geringerer Selektivität am Hauptübertragungskanal abgezweigt
ist als die Regelgröße für die andere Regelung. Hierbei war aber das die Erfindung
beherrschende Prinzip der mehrfach wiederholten Einzelregelung in den aufeinanderfolgenden.
Verstärkereinheiten noch nicht erkannt.
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Die nachfolgende Beschreibung der Erfindung an Hand der Zeichnungen
soll nun das Prinzip der Erfindung noch klarer erkennen lassen.
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Die Fig. I zeigt einen Empfänger für modulierte Trägerwellen., der
als Aufnahmeorgan die Antenne io und die Erde ii aufweist. Die aufgenommenen Signale
werden den in Kaskaden geschalteten, durch Bandfilter gekoppelten Verstärkereinheiten
zugeleitet, die durch die Rechtecke 12, 13 und 14 dargestellt sind. Der Ausgang
der letzten Verstärkerstufe 14 ist mit einem Empfangsgleichrichter und Niederfrequenzverstärker
verbunden, der durch das Rechteck 1-5 bezeichnet ist. Die drei Verstärkereinheiten
12, 13 und 14 sind entsprechend der Erfindung mit getrennten Regeleinrichtungen
16, 17 und i8 versehen. Die erste Regeleinrichtung 16, welche den, Regelspannungsgleichrichter
21 enthält, ist über die Leitungen i9 und 2o mit dem Punkt A vor der ersten Stufe
12 des Hauptübertragungskanales verbunden. Die in bekannter Weise in Abhängigkeit
von der Signalamplitude am Punkt A erzeugte Regelspannung wird über die Leitung
22 dem Steuergitteranschluß 23 der Verstärkerstufe 12 zugeleitet. Die anderen beiden
Regeleinrichtungen 17 und 18 sind an die Punkte B und C angeschlossen und wirken
auf die Verstärkerstufen 13 und 14.
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Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anordnung mit dem Unterschied, daß die
Regeleinrichtungen für die drei Stufen 12, 13 und 14 als rückwärts wirkende Einrichtungen
ausgebildet sind.. Die erste Regeleinrichtung 25, die zu der ersten Stufe 12 gehört,
ist über die Leitungen 26 und 27 mit dem Punkt D der Schaltung hinter der Verstärkereinheit
12 vertunden. Die Leitung 22 führt die im Gleichrichter 21 erzeugte Regelspannung
dem Steuergitteranschluß 23 zu.
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Die, nachfolgenden beiden Stufen 13 und 14 sind mit Regeleinrichtungen
28 und 29 versehen, die an die Punkte E und F angeschlassen sind; diese Regeleinrichtungen
haben: den .gleichen Aufbau wie die bereits besprochenen Regeleinrichtungen 25.
Die Pfeile in den Zeichnungen zeigen die Richtungen der Übertragang in den einzelnen
Haupt- und Hilfskanälen an. Die Torteile dieser weitgehenden Unterteilung der Regelung
bestehen in einer Verfeinerung der Re gehvirkung und einer größeren Anpassungsfähigkeit
der Schaltung an verschiedene BetriVebszustände.
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Fig.3 zeigt das vollständige Schaltbild eines Überlagerungsempfängers,
der nach dem Schema der Fig.2 entwickelt wurde. Jedes der mit unterbrochenen Linien
gezeichneten Rechtecke. mit Ausnahme des ganz rchts befindlichen, stellt eine Verstärkerein:neit
des Empfängers dar. Der abstimmbare Eingangskreis des Empfängers ist mit der Antenne
io und der Erde i i über die Kopplung 30 verbunden; an. den Eingangskreis
ist die Hoch.-frequenzvcrstärkerstufe 31 angeschlossen. Der Ausgang der V2rstärlzerstufe
31 ist über die Kopplung 32 mit dem abstimmbaren Gitterkreis der Mischp:entode 34
gekoppelt. Die Kopplungsanordnung 32 enthält einen abstimmbaren Primärkreis mit
der Spule 35 und dem veränderlichen Kondensator 36 sowie einen abstimmbaren Sekundärkreis,
der aus der Spule 37 und dem veränderlichen Kondensator 38 besteht. Dies,.- beiden
Kreise sind über einen Zwischenkreis miteinander gekoppelt. Der Zwischenkreis enthält
in Reihenschaltung die Spule 39, die mit der Spule 35 gekoppelt ist, ferner den
Kondensator 41 und die Spule 40, die mit der Spule 37 gekoppelt ist.
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Außerdem ist ein Schwingungserzeuger 42 vorgesehen, der mit der Dreielektrodenröhre
43 und einem Schwingkreis mit der Spule 4..4 und dem veränderlichen Kondensator
45 ausgerüstet ist. Die erzeugten Schwingungen werden dem Gitter der Mischröhre
zugeführt, und zwar über die Leitung 46, die von der Oszillatorspule -g durch den
unteren Abschnitt der Spule 37 bis zur Anzapfungsstelle 75 verläuft. Der Oszillatorkreis
ist mit dem Eingangskreis der Mischröhre gekoppelt, und zwar über die Kapazität
76 sowie über die magnetische Kopplung, die zwischen den beiden Spulenhälften der
Spule 37 beiderseits der Anzapfung 75 besteht. Die Kopplung ist so gewählt, daß
dem Gitter der Mischröhr..e über den ganzen Empfangsfrequenzbereich gleichbleibende
Schwingungsspannungen zugeführt werden.
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Die Abstimmkondensa.toren 72, 36, 38 und 45 werden gleichzeitig durch
die Einknopfbedienung U eingestellt. Die am Ausgang der Mischröhre entstehende Zwischenfrequenz
wird durch zwei Zwischen.frequ-znzverstärker 47 und 48 verstärkt, die durch Kopplungsglieder
49
und 5o für die Zwischenfrequenz miteinander gekoppelt sind. Der als Diode ausgebildete
Demodulator 5i ist mit dem Ausgang des Verstärkers 48 durch ein Kopplungsglied 52
verbunden. Ein :N iederfrequenzverstärker, der durch das Rechteck 53 angedeutet
ist, folgt auf den Ausgang des Demodulators. Die Röhren 31, 34, 47 und 48
sind Pentoden, die aber noch eine weitere Anode aufweisen, die zusammen mit der
Kathode eine Diodenstrecke bildet und als Gleichrichter für die automatische Verstärkungsregelung
dient. Die Hochfrequenzverstärkerröhre3i enthält die zusätzliche Anode 54, die zusammen
mit der Kathode 55 eine Diodenstrecke bildet. Die Signalschwingungen -,werden von
der Hauptanode 56 über den Kopplungskondensator 57 der Diodenanode 54 zugeführt.
Diese Diode ist mit einer Kette von Widerständen verbunden, von denen: die Widerstände
58, 59, 6o mit den Gleichspannungsquellen 61 und 62 in Reihe geschaltet sind. Jeder
einzelne der Widerstände 58, 59, 6o ist größer als der innere Widerstand der Röhre
31. Die Kathode 55 und der Punkt der Schaltung zwischen den beiden Spannungsquellen
61 und 62 sind geerdet.
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Der Strom fließt durch die Reihe von Widerständen in der angedeuteten
Pfeilrichtung entsprechend der Polarität der Spannungsquellen 61 und 62. Solange
keime Signalschwingungen empfangen werden, fließt über die Diodenstrecke kein Strom,
da die Widerstände 58, 59 und 6o zusammen mit den Spannungsquellen 61 und 62 so
bemessen sind, daß der Punkt 63 zwischen den Widerständen 58 und 59 und damit auch
die Anode 54 das gleiche Potential wie die Kathode 55 besitzen. Dem Steuergitter
64 wird über die Leitung 65 und den Widerstand 66 zwischen dem Punkt 67 der Schaltung
und der Sekundärspule der Kopplungseinrichtung 30 eine Vorspannung zugeführt.
Das Potential des Punktes 67 ist gegenüber der Kathode negativ.
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Die Diode 54, 55 richtet die ihr zugeführten. Signalspannungen auf
einer praktisch linearen Kennlinie gleich. Da die Diode parallel zum Anodenkreis
der Pentode geschaltet ist, so ist eine solche lineare Gleichrichtung erforderlich,
falls die Quermodulation des empfangenen Signals durch ein Störsignal vermieden
werden. soll. Infolge der Gleichrichtung wird das Potential des Punktes 67 mit zunehmender
Signalintensität negativer; dadurch wird das Gitter 64 ebenfalls negativer, und
die Verstärkung wird herabgesetzt. Dile zusätzliche Belastung des Anodenkreises
der Pentode durch diese Diode wird möglichst klein gehalten, indem d,i.e Widerstände
58, 59# 6o sehr groß gewählt werden (Größenordnung i 1Zegohm). Dar Kopplungskondensator
57 sollte zusammen mit dem Widerstand der zugehörigen Schaltungen eine Zeitkonstante
besitzen, die kleiner ist als die Periodenlänge der höchsten Modulationsfrequenz;
der Kondensator 68 und der Widerstand 66 in der Leitung zur automatischen Verstärkungsregelung
sollten dagegen eine Zeitkonstante bedingen, die größer ist als die Periodenlänge
der niedrigsten Modulationsfrequenz. Falls infolge irgend%velcher Abweichungen der
Schaltelemente in dem Diodenkreis oder in den Regelkreisen eine leichte Quermodulation.
in Erscheinung treten sollte, so läßt sich diese durch entsprechende Verbesserung
der Spannungen oder Widerstände zum Verschwinden bringen.
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Die Anoden der Diodenstrecken, die zu den einzelnen Verstärkerröhren
gehören, sind mit 69, 70, 71 bezeichnet. Die Schaltung der automatischen. Verstärkungsregelung
in den einzelnen geregelten Stufen entspricht der bereits erläuterten Regeleinrichtung
für die Röhre 31.
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Fig.4 zeigt die Arbeitsweise eines Empfängers, der mit mehrfacher
Rückwärtsregelung wie in Fig. 3 ausgestattet ist. Zur Vereinfachung ist aber nur
eine zweifache Regelung zugrunde gelegt. Die Wirkung einer dreifachen Regelung ist
dann ohne weiteres erkennbar. Als Ordinaten sind die Signalspannungen unter einem
Grenmvert von i Volt in einer Decibelskala aufgetragen. Als Abszisse ist die Zahl
der von den Signalschwingungen durchlaufenen geregelten Verstärkerstufen aufgetragen;
im vorliegenden Fall sind dies nur zwei, wobei der erste geregelte Verstärker als
vorhergehender Verstärker und der zweite geregelte Verstärker als nachfolgender
Verstärker bezeichnet ist. Die grenze ist ist als Wellenlinie dargestellt, die etwas
oberhalb der -Nullinie der Decibelskala liegt, während der Geräuschpegel etwa 12o
db unter der -Nullinie als Wellenlinie dargestellt ist. Unter Zugrundelegung einer
Eingangsspannung von i Volt für die -Nullinie der Decibelskala entsprechen 6o db
und iao db Eingangsspannungen von i mV bzw. i ,uV.
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Die Zeichnung zeigt die Zunahme der Signalstärke durch die Wirkung
der Verstärker. Die ausgezogenen Linien a, b, c, d, e, f
stellen die Zunahme
der Verstärkung von Signalen dar, deren Eingangsspannungen 2o, 4o, 6o, 8o, ioo,
12o db unterhalb des Grenzwertes von. i Volt liegen. Die punktierte Linie g zeigt
die Verstärkung eines Signals, das eine Anfangsspannung von 6o dl> besitzt, bei
Verwendung einer einfachen rückwärts wirkenden automatischen Regelung an Stelle
der doppelten Regelung. Die Kurve c zeigt die Zunahme der Verstärkung desselben
6o-db-Signals bei Verwendung derselben Verstärker,
die aber mit
einer doppelten Regelung ausgestattet sind. Es ist ersichtlich, daß die doppelte
Regelung den Signalpegel schneller üb. -r den Störpegel (bis auf den Punkt q) anhebt,
wobei der Signalpegel unterhalb der Übersteuerungsgrenze bleibt. Dies bedeutet,
daß die doppelte Regelung der vorhergehenden Stufe stets eine größere Verstärkung
beläßt, als dies. im Fall einer einfachen Regelung der Fall sein würde. Diese Wirkung,
daß die Verstärkung der vorhergehenden Stufe größer bleibt, besteht so lange, bis
die Signaleingangsspannung sehr klein wird (in dem Beispiel izo db), so daß der
gesamte Spielraum der automatischen Regelung ausgenutzt ist und die Verstärkung
der beiden Stufen ihren Höchstwert erreicht hat.
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Obwohl die höchste Ausgangsspannung des nachfolgenden geregelten Verstärkers
(Punkt r in Fig.4) denselben Wert beibehält, ganz unabhängig davon, ob einfache
oder doppelte Regelung benutzt wird, so wird doch eine Verbesserung bezüglich des
Verhältnisses der Signal- zur Störintensität bei Verwendung der doppelten Regelung
erzielt. In jeder Verstärkerstufe wird dem Signal eine bestimmte Störintensität
überlagert. Die Störungen jeder einzelnen Stufe werden in den nachfolgenden Verstärkerstufen
verstärkt, und zwar in demselben Maße wie das Signal. Die in eine Anfangsstufe eindringenden
Störungen bewirken daher eine stärkere Verschlechterung des Verhältnisses der Signalstärke
zur Störungsstärke als die in die nachfolgenden Stufen eindringenden Störungen,
weil in den Anfangsstufen die Störungen einer verhältnismäßig geringen Signalstärke
gegenüberstehen. Es ist daher vorteilhaft, die Signalstärke durch volle Ausnutzung
der Verstärkung des vorausgehenden Verstärkers auf einen möglichst hohen Pegel zu
heben, und erst -,venn die normale Stärke in irgendeiner Stufe des Verstärkers erreicht
ist, die Verstärkung der nachfolgenden Stufen zu verringern. Dies.geschieht nun
bei der mehrfachen Verstärkungsregelung gemäß Fig. 3. In der Fig. q. ist der Geräuschpegel
für beide dargestellten Stufen in gleicher Höhe angegeben. Dies stellt den Teil
dar, der in. jede einzelne Stufe neu von außen her eindringt. Der resultierende
Pegel wird natürlich durch die Übernahme eines Anteiles von der vorhergehenden Stufe
in jeder nachfolgenden Stufe größer.
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Fig. j zeigt eine Kurvendarstellung mit denselben Koordinaten wie
die Fig, q.; sie zeigt die Arbeitsweise der gleichen Anordnung mit zweifacher Regelung
beim Auftreten starker Störungen. Die Kurve h zeigt die Stärke einer Störschwingung,
die eine Eingangsstärke von o db besitzt, also etwas unterhalb der Übersteuerungsgrenze
liegt. Da die Selektivität bis zu dem vorh-ergehen.den Verstärker nur gering ist,
so bestimmt die Störschwingung die Größe der Regelspannung, die diesem vorhergehenden
Verstärker zug.-führt wird, und verhindert, daß der gesamte Schwingungspegel einschließlich
Störung die Übersteuerungsgrenze überschreitet. Daher gelangt die Störung h praktisch
unverstärkt an den Ausgang des vorhergehenden Verstärkers (Punkts in der Zeichnung).
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Die Kurve i stellt das erwünschte Signal dar, auf das der Empfänger
abgestimmt ist; es ist mit 4o db unterhalb der Störung angenommen. Dies erwünschte
Signal kann in dem vorhergehenden Verstärker nicht mehr verstärkt werden als die
Störung la; daher bleibt es unverstärkt bis zum Punkt t. Der nachfolgende Verstärker
verstärkt das gewünschte Signal bis auf den Grenzwert bei z4 und vermindert die
Stärke der Störung auf einen erheblich niedrigeren Pegel .v (ungefähr d.o db) infolge
der Selektionswirkung im zweiten Verstärker, der nur eine geringere Bandbreite durchläßt.
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Die Kurven j und Z zeigen die Arbeitsweise derselben Verstärker bei
Annahme der gleichen Störungsverhältnisse, falls eine einfache Rückwärtsregelung
an Stelle der doppelten Regelung vorgesehen wäre. Die Kurve j, welche die Störung
darstellt, zeigt, daß in diesem Fall eine Übersteuerung eintreten würde; obwohl
nach Kurve l das gewünschte Signal auf denselben äußersten Pegel u gebracht wird,
werden trotzdem Verzerrungen hervorgerufen durch die von der Störung herrührende
Übersteuerung. Die Quermodulation, die durch diese Übersteuerung hervorgerufen wird,
kann in der nachfolgenden Stufe nicht ausgefiltert werden, da diese Quermodulation
innerhalb der Bandbreite des gewünschten Signals liegt.