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Verfahren zur Entzerrung von Impulsen In der modernen Nachrichtentechnik
wird die Aufgabe gestellt, Nacbrichtenfunktionen durch Impulsfolgen darzustellen
und diese für die Übertragung der \Tacliricliten zu verwenden. Bei bestimmten Anwendungen
dieser Technik ergibt sich für die auf der Empfangsseite verwendeten Einrichtungen
die spezielle Forderung, eine möglichst hohe .'1ml>litucleiistufeiizalil einwandfrei
unterscheiden zu können. Andererseits geht das 13estrelien dahin, die Übertragungsmittel
möglichst hoch auszunutzen und somit die Frequenzbandbreite jedes für die Nachrichtenübertragung
ver-\\,endeten Übertragungskanals möglichst zu beschneiden. Man gellt dabei soweit,
die Kanalbandbreite bis @iufcleii\VertderImliulsfolgefrequeiizoder sogar darüber
hinaus his zur Hälfte dieses Wertes einzuengen. Hierbei entstehen jedoch Verzerrungen,
die eine richtige Auswertung der Impulse auf der Empfangsseite in zunehmendem Maße
erschweren, und zwar sind es nicht allein die Ab-flachung und Amplitudenveränderung
des eigentlichen Impulses, sondern vor allem die Überlagerungen der Ein- und Ausscbwingvorgänge,
die eine zunehmende Verfälschung der abgetasteten Amplitude und damit eine Verfälschung
der empfangenen Nachricht bewirken.
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Es fehlt nicht an Versuchen, diese Schwierigkeiten durch eine besondere
Art der Impulstechnik zu beseitigen. So geht ein bekannter Schaltungsvorschlag davon
aus, daß dann, wenn man über einen Übertragungskanal geringer Bandbreite sehr kurze
Impulse gibt, die Ein- und Ausschwingvorgänge, von der Impulsmitte aus gemessen,
in einem Zeitabstand gleich der Hälfte des reziproken Wertes der Bandbreite und
Vielfachen davon den Wert Null haben. Wählt man unter solchen
Bedingungen
die Impulsfolgefrequenz gleich dem doppelten Wert der Kanalbandbreite, so ergibt
sich, claß in dem Zeitpunkt, wo ein Impuls sein Maximum hat, die Ein- und Ausschwingvorgänge
aller Nachbarimpulse Null sind und deshalb seine Amplitude nicht fälschen. Wenn
dieses Verfahren im ersten Augenblick auch sehr vorteilhaft erscheint, so muß man
doch bedenken, daß die Amplituden solcher sehr schmalen Impulse sowohl proportional
ihrer eigenen zeitlichen Länge als auch proportional der Kanalbandbreite verkleinert
werden. Macht man also die Impulse schmäler, um die Amplituden der Ein- und Ausschwingvorgänge
zur Zeit ,der Abtastpunkte möglichst klein zu halten, so senkt man gleichzeitig
die Nutzamplitude der Impulse. Außerdem sind, je kürzer die Impulse sind, die Anforderungen
an die zeitliche Präzision der Impulsfolge und der Abtastpunkte um so höher.
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Ein zweiter bekannter Vorschlag geht davon aus, daß die Amplitwde
eines Impulses exakt 'erfaßt werden kann, wenn die Ausschwingvorgänge der vorangegangenen
Impulse kompensiert werden. Dies soll dadurch erreicht werden, daß der Verlauf der
Ausschwingvorgänge der Impulse aus den Amplituden der Einschwingvorgänge ermittelt
und zu diesem Zweck die Amplitude an Zeitpunkten, die vor dem Start des zu messenden
Impulses liegen, bestimmt wird. Diese Vorherbestimmung ergibt für die praktische
Durchführung so große Schwierigkeiten, daß mit einer Verwendbarkeit des Verfahrens
nicht zu rechnen ist.
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Das neue Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, daß Oberschwingungen
der übertragenen Impulse, die durch Übertragungsmittel unterdrückt sind, durch Modulation
von Hilfsfrequenzen mit den übertragenen Schwingungen neu erzeugt und phasenrichtig
sowie in einem der ursprünglichen Impulsform entsprechenden Amplitudenverhältnis
den übertragenen Schwingungen kugesetzt werden.
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Die Hilfsfrequenzen werden zweckmäßig gleich ganzzahligen Vielfachen
der Impulsfolgefrequenz gewählt. Ihre Anzahl richtet sich nach den gestellten Anforderungen,
d. h. nach der Genauigkeit der Entzerrung, die für die Weiterverarbeitung der, übertragenen
Impulse verlangt wird. Unter Umständen genügen schon die Seitenbänder einer einzigen
Hilfsfrequenz, die dann gleich der Impulsfolgefrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen
davon zu wählen ist.
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Um hierbei auf der Empfangsseite die für die Erzeugung der Hilfsfrequenzen
benötigte Impulsfolgefrequenz dauernd einwandfrei zur Verfügung zu haben, ist es
gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zweckmäßig, die Impulsfolgefrequenz oder
eine zu ihr harmonische Frequenz synchron und mit konstanter Phasenbeziehung zu
übertragen. Gegebenenfalls kann diese Übertragung über einen besonderen Kanal und
für eine Mehrzahl von Nachriclitenkanälen gemeinsam erfolgen.
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Zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung ist in Fig. i eine
Impulsfolge gezeichnet, die irgendeinen beliebigen Nachrichteninhalt darstellen
möge. Die Impulse reihen sich als Rechteckimpulse mit verschiedenen Amplitudenstufen
lückenlos aneinander, haben aber sämtlich gleiche Länge, d. h. die Impulslänge ist
gleich dem Kehrwert der Impulsfolgefrequenz. Der Verlauf der Amplitudenstufen ist
durch die Form der aufmodulierben Nachrichtenfunktion gegeben. Enthält diese Nachrichtenfunktion
beispielsweise drei verschiedene Modulationsfrequenzen f1, f2 und f3 mit untersc'hiedlic'hen
Amplituden, so ergibt sich für eine derart modulierte Impulsfolge unter Annahme
bestimmter Frequenz- und Amplitudenwerte ein Spektrum, wie es Fig. 2 zeigt. Übertragbar
sind auf diese Weise, wie ohne weiteres einleuchtet, nur Modulationsfrequenzen in
dem Bereich von Null bis zum halben Wert der Impulsfolgefrequenz fi. Diese Grenze
ist in Fig. 2 durch eine gestrichelte gerade Linie dargestellt.
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Außer den Grundschwingungen der angenommenen Modulationsfrequenzen
f1, f2 und f3 enthält jedoch das gesamte Spektrum der Impulsfolge noch eine große
Anzahl weiterer Frequenzen, deren Amplitude mit zunehmender Frequenz abnimmt. Diese
Frequenzlinien sind durch die Formel Zahl, fi die Impuls-' gegeben, worin n eine
ganze m folgefrequenz und fm die Modulationsfrequenzen bezeichnet. In dem angenommenen
Fall sind also für f. die Modulationsfrequenzen f1, f2 und f3 einzusetzen.
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Es ist leicht erkennbar, daß sich die Frequenzverbeilung des Bereiches
zwischen Null und
als Spiegelung der Grundschwingungen beiderseits
nach höheren Frequenzen hin immer wieder der ganzzahligen Vielfachen der Impulsfolgefrequenz
fi wiederholt. Es ergeben sich oberhalb der Grenzlinie
zunächst beiderseits des Wertes fi die Frequenzpaare fi ± f1, fi
± ft und fi ± f3, wie in dem Schaubild Fig. 2 durch dicke Striche
angegeben ist. Das gleiche wiederholt sich beiderseits der Werte 2 fi, 3
fi usw. Jedoch nimmt hierbei, wie bereits gesagt, die Amplitude der Teilschwingungen
mehr und mehr ab, und zwar ist das jeweilige Amplitudenverhältnis zwischen den Teilschwingungen
mehr und mehr ab, und zwar ist das gongen durch einen Faktor gegeben, dessen Verlauf
durch die eingezeichnete gestrichelte Kurve dargestellt ist. Diese Kurve ist die
theoretische Be= grenzungslinie des Spektrums eines einzigen genauen Rechteckimpulses
und durch die Funktion
gegeben. Bei der- Übertragung einer Impulsfolge der besprochenen Art, deren Form
beispielsweise in Fig. i und deren Spektrum in Fig. 2 dargestellt ist; findet nun
durch die beschränkte Bandbreite der
Übertragungsmittel eine erhebliche
Formverzerrung statt, die die Unterscheidbarkeit verschieden hoher Amplitudenwerte
auf der Empfangsseite immer mehr erschwert, je schmaler die Frequenzbandbreite der
Übertragungsmittel ist. Wählt man im Extremfall die Bandbreite gleich dem halben
Wert der Impulsfolgefrequenz, so erkennt man aus Fig.2, daß nur noch die Grundschwingungen
der Impulsfolge übertragen werden und das gesamte übrige Spektrum fehlt. Dies bedeutet
aber, wie eingangs gesagt, daß sieh die Ein- und Ausschwingvorgänge der Nachbarimpulse
derart überlagern, daß nur noch sehr wenige Amplitudenstufen einwandfrei unterscheidbar
sind.
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Die Erfindung besteht nun darin, auf der Empfangsseite die übertragenen
Schwingungen mit einer oder mehreren Hilfsfrequenzen zu modulieren und auf diese
Weise bei gleichzeitig richtiger Wahl der einzelnen Amplituden und Phasen ein neues
Hilfsfrequenzspektrum aufzubauen, welches das durch die geringe Kanalbandbreite
verlorengegangene Spektrum in einem für die Unberscheidbarkeit der Amplitudenstufen
ausreichenden Maße ersetzt.
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I# ig. 3 zeigt in Form eines Kurvenschaubildes, wie die verzerrte
Impulsform durch Zusatz eines Hilfsspektrums gemäß der Erfindung mit verschiedenen
Gütegraden verbessert werden kann. Die Recliteckkurve i stellt die theoretische
Idealform eines Rechteckimpulses dar. Überträgt man einen solchen Impuls über Übertragungsmittel,
deren Bandbreite nur von Null bis zum halben Wert der Impulsfolgefrequenz reicht,
so entsteht die verzerrte Impulsform 2, an der die merkliche Verringerung der Amplitude
in der Impulsmitte, der flache und angehobene Flankenverlauf und die starken Ein-
und Ausschwingvorgänge auffallen. Die Rechnung zeigt, daß ein solcher verzerrter
Impuls in seiner Mitte die Amplitude mit einem Fehler von - 13% wiedergibt und daß
in der Mitte des Nachbarimpulses noch eine Amplitude von + 8% infolge des Ein- bzw.
Ausschwingvorganges vorhanden ist.
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Setzt man einem derart verzerrten Impuls erfindungsgemäß ein Hilfsfrequenzspektrum
wieder zu, so entsteht, wenn nur das Seitenband oberhalb und unterhalb einer Hilfsfrequenz
vom Wert der Impuls'-folgefrequenz fi amplituden- und phasenrichtig zugefügt wird,
die bereits erheblich verbesserte Kurve 3. Diese hat in der Impulsmitte nur einen
Amplitudenfehler von + 2,4%, während der Amplitudenfehler in der Impulsmitte der
Nachbarimpulse nur - 1,2% beträgt. Außerdem sind die Flanken erheblich steiler und
der Rechteckkurve besser angepaßt.
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Nimmt man auch noch den nächsten Abschnitt des Hilfsfrequenzspektrums
oberhalb und unterhalb einer Hilfsfrequenz vom doppelten Wert der Impulsfolgefrequenz
hinzu, so erhält man eine weitere Verbesserung der Impulsform gemäß Kurve 4 in Fig.
3. Bei dieser beträgt der Amplitudenfehler in der Impulsmitte nur noch - r % und
in der Mitte des Nachbarimpulses nur + 0,50/0. Auch die Flankenform ist abermals
erheblich verbessert. Der durch das Verfahren gemäß der Erfindung erreichbare praktische
Vorteil besteht darin, daß auf diese Weise über einen Übertragungskanal geringer
Bandbreite erheblich mehr Amplitudenstufen einwandfrei unterscheidbar übertragen
werden können: Eine rechnerische Behandlung des Problems zeigt, daß bei fehlender
Entzerrung mit einem Frequenzband von Null bis zum halben Wert der Impulsfolgefrequenz
nur etwa vier Amplitudenwerbe unterscheidbar übertragen werden können, während die
Anzahl der unterscheidbaren Amplitudenwerte bei einer Entzerrung mit Hinzufügung
des Hilfsfrequenzspektrums beiderseits der Impulsfolgefrequerfz fi (d. h.
also bis zum Wert
auf 21 und bei weiterer Entzerrung mit dem Spektrum beiderseits des Wertes 2 fi
(also bis herauf zur Grenze
auf 51 steigt.
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Bezeichnet man mit n die Anzahl der gleichzeitig übertragbaren Nachrichten,
die durch verschiedene Amplitudenstufen dargestellt werden, so müssen bei der Übertragung
2" Amplitudenwerte unterscheidbar bleiben, um die verschiedenen Nachrichten empfangsseitig
wieder voneinander trennen zu können. Drückt man also die obergenannten Zahlen 21
und 51 für die Anzahl der Amplitudenwerte, die durch eine Entzerrung gemäß der Erfindung
unterscheidbar übertragen werden können, durch Potenzen der Zahl 2 aus, so erhält
man als Exponent die Anzahl der jeweils gleichzeitig mit verschiedenen Amplitudenstufen
übertragbaren Nachrichten. Bei der einfachen Entzerrung mit den Seitenbändern der
Hilfsfrequenz fi ergibt sich dann 21 = 24,4, d. h. es können 4 Nachrichten gleichzeitig
übertragen werden. Bei weiterer Entzerrung mit den Seitenbändern der Hilfsfrequenz
2 fi sind es 51 = 25,7 Amplitudenwerte, d. h. 5 gleichzeitig übertragbare Nachrichten.
Der nicht ausgenutzte Unterschied dieser Zähl 5 gegenüber dem errechneten Wert 5,7
setzt die Anforderung an die Genauigkeit der Schaltmittel herab.
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Wie,bereits oben ausgeführt, müssen die Hilfsschwingungen auf der
Empfangsseite mit richtiger Amplitude zugesetzt werden und auch die richtige Phasenlage
haben. Die Erfüllung der ersten Forderung ist in folgender Weise möglich: Wird z.
B. bei der Modulation der Hilfsfrequenz fi mit der Frequenz f"" die zwischen Null,
und
liegt, die Frequenz f i - f. erzeugt, so muß sich deren Amplitude zur Amplitude
der Modulationsfrequenz f. wie der Quotient der Proportionalitätsfaktoren verhalten,
deren Verlauf durch die gestrichelte Kurve in Fig. 2 gegeben ist. Bei der Frequenz
fm ist dieser Proportionalitätsfaktor gleich
und bei der Frequenz fi- fr, gleich
Der Quotient ergibt sich also zu
Da aber
ist, wird der Proportionalitätsfaktor einfach gleich
Diesen Rechnungsvorgang kann man schaltungsmäßig dadurch verwirklichen, daß man
das empfangene Frequenzband von Null bis
über einen Spannungsteiler führt, der aus einem hocho'hmigen reellen Widerstand
und einem induktiven Blindwiderstand, z. B. in Form einer niederohmigen Drossel,
besteht. Die Schaltung kann auch durch eine mit einer Induktivität belastete Pentode
in an sich bekannter Weise verwirklicht werden. Die Amplitudenverteilung an der
Drossel ist dann frequenzabhängig und gegenüber der Amplitudenverteilung der Eingangsspannung
um einen der Frequenz f. proportionalen Faktor verändert. Dieser Vorgang entspricht
also einer Multiplikation der Eingangsspannung mit der Frequenz f",. Werden nun
diese Frequenzen von Null bis
mit dieser Verteilung zur Modulation einer Hilfsfrequenz vom Wert ff verwendet und
das Modulationsprodukt (im angenommenen Fall ff- f m) auf einen Spannungsteiler
aus einem hohen reellen Widerstand und einem Kondensator gegeben, so tritt an diesem
eine Änderung der Spannungsverteilung umgekehrt proportional der Frequenz, also
im Verhältnis
auf. Insgesamt ist also die Spannung der Frequenz fi-f. gegenüber der Eingangsspannung
mit der Frequenz fm wunschgemäß um den Faktor
verändert.
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Da die beiden durch die Spannungsteiler bewirkten Phasendrehungen
unabhängig von der Frequenz sind, je 9o° betragen und verschiedenes Vorzeichen haben,
tritt insgesamt durch die angewendete Schaltung keine zulässige Phasendrehung auf.
Wenn man also dafür sorgt, daß die für die Modulation verwendete Hilfsfrequenz vom
Wert ff die richtige Phasenlage hat, ergibt sich auch für die Modulationsprodukte
von selbst die richtige Phase.
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Ähnliche Überlegungen und Berechnungen, wie sie vorstehend für rechteckige
Impulse durchgeführt wurden, sind auch für andere Impulsformen, beispielsweise dreieck-
oder cosinusförmige Impulse, sinngemäß möglich.
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Um schwierige Synchronisiereinrichtungen auf der Empfangsseite, mit
denen man aus der Impulsfolgefrequenz der ankommenden Impulse die Phasenlage der
Impulsfolgefrequenz erst ableiten müßte, zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die Impulsfolgefrequenz
selbst oder eine zu ihr harmonische Frequenz synchron und mit konstanter Phasenbeziehung
zu übertragen. Dies kann zweckmäßig für mehrere Nachrichtenkanäle gemeinsam erfolgen,
so daß der dafür erforderliche Aufwand eines Kanals praktisch in Anbetracht der
erheblichen' Steigerung der Ausnutzung der Kanäle nicht ins Gewicht fällt.
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Betrachtet man den Sonderfall, daß bei Telegraphie einfache Wechsel
übertragen werden sollen, bei denen also die Zeichenlänge dem Kehrwert der Impulsfrequenz
ff entspricht, so ist die Modulationsfrequenz gleich
und das Spektrum enthält die Frequenzen
usw. Nach der Übertragung würde dann im Empfänger für die Bildung der höheren Frequenzen
nur die Frequenz
zur Verfügung stehen, die bei der angegebenen Bandbreite gerade auf der Grenzfrequenz
des Filters liegt. Man könnte nun meinen, daß in diesem Fall das Verfahren 'versagt.
Wird das Filter aber nach der Theorie von N y q u i s t so bemessen, daß es an der
Übertragungsgrenze gerade die Dämpfung 0,7
Neper hat und die Dämpfung beiderseits
der Übertragungsgrenze reziprok verläuft, so ergibt- das angegebene Korrekturverfahren
auch für diesen Fall die richtigen Harmonischen. Filter mit einer derartigen Nyquist-Flanke
sind bekannt und beispielsweise bei Fernsehübertragungen in Anwendung.
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Eine grundsätzliche Möglichkeit für den Aufbau einer Empfängerschaltung
gemäß der Erfindung zeigt Fig. 4. Von der Vielzahl der möglichen Übertragungskanäle
sind nur zwei dargestellt. Über den einen- Kanal U1 wird beispielsweise die Impulsfolgefrequenz
ff übertragen, während der andere Kanal U2 die Nachrichtenimpulse mit dem Spektrum
von Null bis
überträgt. Es sei hierbei betont, daß die Übertragung selbst auch mit einer etwas
größeren Bandbreite vor sich gehen kann, jedoch kann es für die Anwendung der Erfindung
vorteilhaft sein, auch in diesem Fall durch zusätzliche Filter auf der Empfangsseite
absichtlich eine genaue Aussiebung des in dem Frequenzbereich von Null bis zur halben
Impulsfolgefrequenz liegenden Teiles der übertragenen Schwingungen vorzunehmen.
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Die über den Kanal U1 ankommende Impulsfolgefrequenz ff wird beispielsweise
durch einen Frequenzvervielfacher F umgewandelt und die so entstehenden Frequenzen
ff, a ff, 3 ff usw. je .nach Bedarf Modulatoren Ml, M2, M3 usw. zugeführt.
In diesen Modulatoren werden die genannten Hilfsfrequenzen mit den aus den ankommenden
Nachricliteiisl
>ciiitiuiigeti ge\\ ontteuen Grundschwingungen des
Fre(luenzl)ereiclies zwischen -Null und
moduliert, und zwar z« cchniüßig iilter einett frequenzabliiingigen Spatitiungsteiler
7@1, der die oben bereits erläuterte Amplitudenänderung in Ab-'liätigigkeit von
der Frequenz bewirkt.
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Die Modulationsprodukte, die nunmehr beim Modulator _llt in dein Bereich
von
beim I(>(lulator:ll,, in(lem Bereich von
USW.
liegen, werden, erforderlichenfalls über nicht dargestellte Filter, einem
weiteren Spannungsteiler T2 zugeführt, der in der ol>eti bereits geschilderten Weise
eine weitere Amplitudenkorrektur gemäß der gewiinscliteii spektralen Verteilung
bewirkt. Die Ausgatigsspatinungen dieses Spannungsteilers, die somit je nach der
Anzahl tt der verwendeten NIo(ltilatio issttifen (las Frequenzband von
umfassen, werden dann den über den Übertragungskanal ("z ankommenden Grundschwingungen
zugesetzt, so daß schließlich im Ausgang A der Empfangsschaltung eine entzerrte
Impulsfolge mit denn erweiterten Frequenzspektrum von Null bis
zur Verfiigutig steht.
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Die finit diesen @lusgatigsspannungen betriebenen weiteren Empfangseinrichtungen
können in bekannter Weise ausgebildet sein und sind daher nicht dargestellt.
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Die ltesclirielwne Schaltung kann natürlich sinngemäß abgeändert werden,
wenn statt des Bandes von o bis
breiteres Band, z. B. von o bis fi oder von o
im Empfänger ausgewertet werden soll.