DE849120C

DE849120C - Schaltanordnung zur Phasenmodulierung

Info

Publication number: DE849120C
Application number: DEC2813A
Authority: DE
Inventors: Roger Goublin
Original assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Current assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Priority date: 1948-02-03
Filing date: 1950-09-30
Publication date: 1952-09-11
Also published as: GB657272A; FR60229E; FR1006565A

Description

C 2813

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Phasenmodulierung, das mit einer großen Linearität einen größeren Phasenhub, als er mit den bekannten Phasenmodulierungsschaltungen erzielbar ist, zu verwirklichen gestattet.

Bekanntlich bietet die Verwendung eines Phasenmodulators bei einem Sender mit Frequenzmodulierung die Möglichkeit, diesen durch einen Hauptschwingungserzeuger mit Quarz zu steuern, der eine große Stabilität der mittleren Frequenz der ausgesendeten Welle gewährleistet. Dagegen besitzen die bekannten Phasenmodulatoren lineare Modulation?- charakteristiken nur für einen ziemlich beschränkten Phasenbereich.

Wenn man einen genügend geringen Verzerrungsgrad erhalten will, ist es daher notwendig, auf die Modulationsstufe zahlreiche Vervielfacherstufen folgen zu lassen, um die gewünschte Phasenabweichung zu erhalten. Die Erfindung bezweckt, die Zahl der Verstärkerstufen eines Senders zu verringern, ohne den Verzerrungsgrad zu erhöhen.

Der Phasenmodulator nach der Erfindung kennzeichnet sich im wesentlichen darin, daß die folgenden drei Stromkreise verwendet werden:

a) ein Gegentaktmodulierungsstromkreis, der ein Zeichen mit der Frequenz der Trägerwelle liefert, das im Rhythmus der niedrigen Frequenz nach dem Gesetz k' α amplitudenmoduliert ist, wobei α die Größe des modulierenden Zeichens und k' eine Konstante ist,

b) ein Modulierungsstromkreis, der eine Trägerwelle liefert, die in der Amplitude nach dem Gesetz

ι + k α² moduliert ist und eine Phasenverschiebung von 90⁰ gegenüber dem vom ersterwähnten Stromkreis gelieferten Zeichen aufweist,

c) ein gemeinsamer Stromkreis, in welchem die vektorielle Summierung der von den beiden anderen Stromkreisen stammenden Wellen bewirkt wird und der jede gegenseitige Einwirkung der zwei anderen Stromkreise verhindert.

Der erste dieser drei Stromkreise, der Stromkreis a, ist in der Technik der Phasenmodulierung bekannt und seine Verwirklichung bereitet keine Schwierigkeiten. Der zweitgenannte Stromkreis b kann durch einen symmetrischen Verstärker bekannter Art gebildet sein, wenn die Eigenschaften der benutzten Röhren bestimmten Gesetzmäßigkeiten genügen. Im allgemeinsten Fall ist es notwendig, in den Stromkreisen, die mit den zwei den Modulator bildenden Röhren verbunden sind, Berichtigungsstromkreise vorzusehen, welche die Aufgabe haben, die Charakteristik des Verstärkers bei niederen Modulationsfrequenzen zu verändern, so daß die erforderliche Bedingung erfüllt ist.

Die Ausführung des Phasenmodulators nach der Erfindung kann im einzelnen in der Weise erfolgen, daß man in dem Gitterstromkreis der beiden Röhren ein nur in einer Richtung wirksames Schaltgebilde vorsieht, so daß der Eingangsstromkreis eine nichtlineare Charakteristik bei den Modulationsfrequenzen aufweist. Dieses Ergebnis kann erfindungsgemäß auch dadurch erreicht werden, daß man eine Belastung der Modulationsverstärkerstufe verwendet, die eine erhöhte Impedanz einerseits bei den Modulationsfrequenzen und andererseits für die der Frequenz der Trägerwelle nahe kommenden Frequenzen zeigt. Der dritte erfindungsgemäß vorzusehende Stromkreis, der Stromkreis c, ist ein Kopplungsstromkreis, der gegenüber der linearen Modulationsstufe oder der anderen Modulationsstufe ausgeglichen ist, so daß er eine vollständige Entkopplung zwischen diesen beiden Stufen bewirkt.

Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung beispielsweise in mehreren Ausführungsformen in Abb. 1 bis 9.

Gemäß der in Abb. 1 wiedergegebenen Schalt anordnung liefert der Hauptschwingungserzeuger 1 eine Hochfrequenzspannung, die mit gegensinniger Phase an die Steuergitter 2 und 3 der Fünfelektrodenröhren 4 und 5 über Verbindungskondensatoren 6 und 7 gelegt wird. Andererseits wird eine gegenüber dieser Spannung um nJ2 in der Phase verschobene Hochfrequenzspannung durch das aus dem Widerstand 8 und dem Kondensator 9 bestehende Schaltungsgebilde an die Steuergitter 10 und 11 der zwei Fünfelektrodenröhren 12 und 13 über die Kondensatoren 14 und 15 herangeführt. Die beiden Röhrenpaare 4, 5 und 12, 13 haben den symmetrischen Schwingungskreis 16,-der auf die Frequenz des Hauptschwingungserzeugers ι abgestimmt ist, als gemeinsame Anodenimpedanz. Der Stromkreis 16 ist durch den Stromkreis 17 mit der Eingangsseite der Verstärkerstufen 18 gekoppelt.

Die an den Austrittsklemmen des Niederfrequenzverstärkers 23 entwickelte symmetrische Modulationsspannung wird phasengegensinnig an die Steüergitter der Röhren 12 und 13 gelegt, und ein durch die Widerstände 19, 20, 21, 22 bestimmter Teil dieser Spannung wird ebenfalls phasengegensinnig den Steuergittern der Röhren 4 und 5 zugeführt. Die Ausgangsimpedanz des Niederfrequenzverstärkers 23 wird genügend hoch angenommen, um keine wesentliehe Schwächung bei den gleichzeitig an die Gitter 2, 3, 10, 11 gelegten Hochfrequenzspannungen hervorzurufen. Ebenso ist die Impedanz der Kapazitäten 6, 7, 14, 15 bei den Modulationsfrequenzen hinreichend, um nicht in erheblichem Maße die an diese Gitter herangeführte Niederfrequenzspannungen zu verringern.

Bei Fehlen der Modulation liefern die im Gleichgewicht befindlichen Röhren 12 und 13 keinerlei Spannung an den Klemmen des Schwingungskreises 16. Dagegen entwickeln die Röhren 3 und 4, die sich bezüglich der an ihre Elektroden gelegten Gleichspannungen im Symmetriezustand befinden und an ihren Gittern 2 und 3 durch phasengegensinnige Hochfrequenzspannungen beeinflußt werden, an den Klemmen des Stromkreises 16 eine reine Hochfrequenzspannung mit der Frequenz des Hauptschwingungserzeugers i. Diese Spannung stellt im Vektordiagramm der Abb. 2 die Trägerwelle 29 dar.

Nimmt man an, daß die Modulationsspannung nur an die Gitter 10, 11 angelegt wird, so bildet die Gesamtheit der Röhren 12, 13 einen Gegentaktmodulator bekannter Art, der an den Klemmen des Stromkreises 16 eine dem Modulationsvektor 24 des Vektordiagramms der Abb. 2 entsprechende Spannung mit üblicher Amplitudenmodulierung liefert.

Infolge der Anwesenheit des phasenverschiebend wirkenden Schaltgebildes 8, 9 ist im Vektordiagramm der Abb. 2 der Vektor 24 senkrecht zum Vektor 29 gerichtet, und die sich an den Klemmen des Schwingungskreises 16 ergebende Spannung, die in Abb. 2 dem die vektorielle Summe der Vektoren 24 und 29 darstellenden Vektor 25 entspricht, weist gegenüber der Trägerwellenspannung 29 eine Phasenverschiebung φ auf, die sieh im Laufe des Modulationszyklus ändert. Bekanntlich ist die Länge des Vektors 24, wenn die Funktion f(t) die Modulationsspannung darstellt, proportional f(t). Ist a(t) diese Länge bei als Einheit angenommenen Vektor 29, so ergibt sich, daß φ = arc tg α ist. Nimmt man α klein an, so

wird die Modulationscharakteristik φ = α und

der Linearitätsunterschied ergibt sich zu

φ — α α²

α . 3

Die Schaltung, bei der die Modulationsspannung nur an die Röhren 12 und 13 gelegt wird, ist an sich bekannt, aber nach der Erfindung moduliert man die Trägerwellenspannung in den Röhren 4 und 5 dadurch, daß man einen geeigneten Teil der Modulationsspannung den Gittern 2 und 3 dieser Röhren aufdrückt. Die Charakteristik und die Polarisation der Röhren 4 und 5 sind nun bei Gleichheit für beide 1*5 Röhren gemäß der Erfindung so gewählt, daß die

Charakteristik, die durch den durch den Stromkreis 16 fließenden Strom als Funktion der an die Gitter 2 und 3 gelegten Spannung gegeben ist, die kubische Form

J = a U + c U³ aufweist, bei der — negativ ist und

/ die Resultierende der Anodenströme und U die an die Gitter angelegte, auf die Ruhespannung bezogene Spannung bedeutet.

Das Kurvenbild für diese kubische Formel ist aus Abb. 3 ersichtlich, in der die Kurven 26 und 27 die Einzelcharakteristiken der Röhren 4 und 5 darstellen und die Kurve 28 die Gesamtcharakteristik dieser beiden Röhren wiedergibt. Der Verlauf der Kurve 28 zeigt, daß bei den Modulationsspitzen der Trägerwellenvektor um einen bestimmten Betrag vermindert wird, der von der Amplitude der den Gittern 2 und 3 zugeführten Modulationsspannung abhängt. Man kann auf diese Weise die Charakteristik der Modulation berichtigen und den Verzerrungsgrad für eine und dieselbe Phasenabweichung vermindern.

Infolge der Modulation der Trägerwelle ist naturgemäß im Vektordiagramm der Abb. 2 die Länge des Vektors 29 nicht mehr die Einheit und wird auf Grund der kubischen Form der Charakteristik zu

ι -f- ka², wo k eine zu -- proportionale Konstante

ist, die von dem Verhältnis der Amplitude der Hochfrequenzspannung zur Modulationsspannung abhängt. '30 Die Phasenverschiebung φ zwischen dem resultierenden Vektor 25 und dem Trägervektor 29 ist dann:

ψ = arc tg ■--- ■- und für k =

I -ρ κ (i

φ = η — —
45

Infolgedessen ist die Linearitätsdifferenz für diesen Modulator:

r,4

φ — α
α

α*
45

Die Rechnung zeigt, daß man eine Phasenabweichung von —- 0,46 Winkeleinheit für eine Linearitätsdifferenz von 0,001, d. h. eine achtmal so tiefe Modulation wie im Fall der bekannten Phasenmodulatoren erreichen kann.

Für die praktische Verwirklichung des Grundgedankens der Erfindung ist es wichtig, über die

hierfür geeigneten Röhren zu verfügen. Da erfindungsgemäß zwei Spannungsvektoren V₁ und V₂ mit Trägerwellenfrequenz, von denen der eine in der Am-

plitude nach der Formel V₁ = (1 + ßa²)e^im< und der andere mit einer Phasenverschiebung von 90⁰ nach der Formel F₂=o«^i(l"^Hl'²⁾ moduliert wird, durch

eine anodische Impedanz, welche zwei ausgeglichenen,

— —

die Vektorspannungen V₁ und V₂ liefernden Stromkreisen gemeinsam ist, geometrisch zu addieren sind und dabei die nach dem Gesetz 1 + ka² erfolgende Amplitudenmodulierung mit Hilfe von Röhren mit kubischer Charakteristik, d. h. mit veränderlicher Steilheit, zu erzielen ist, bereitet es Schwierigkeiten, die passenden, diesen Bedingungen genügenden Röhren zu finden, bei denen für eine Charakteristik/ = a U +

c U³ die Größe - -, wie unbedingt erforderlich, negativ ist. Auch können unter Umständen infolge der Kopplung zwischen dem die Vektoren V₁ und V₂ liefernden Modulatoren Verzerrungen, insbesondere

—

des Vektors V₂, auftreten, die sich in einer nichtlinearen Phasenmodulierung auswirken.

Diesen beiden Schwierigkeiten kann in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch Rechnung getragen werden, daß zur Erzielung der Amplituden-

modulation des Vektors V₁, ein mit dem Modulationsverstärker verbundener Stromkreis vorgesehen wird, der die Aufgabe hat, die Gesamtcharakteristik dieses Verstärkers bei niedrigen Modulationsfrequenzen so

zu ändern, daß sie ein negatives Verhalten — aufweist.

Dieser Stromkreis kann im Eingangsstromkreis mit nichtlinearer Charakteristik vorgesehen sein und auch einen Bestandteil des Belastungsstromkreises bilden, der dann eine hohe Impedanz einerseits bei den Modulationsfrequenzen und andererseits bei den der Frequenz der Trägerwelle nahekommenden Frequenzen aufweisen muß. Außerdem vollzieht sich bei dieser Weiterbildung der Erfindung die geometrische Summierung der beiden Vektoren in einem mit jedem Modulator gekoppelten Stromkreis, so daß die Kopplung zwischen den. Modulatoren Null ist.

Abb. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei welcher die Schaltung nach Abb. 1 dahin abgeändert ist, daß eine kubische Charakteristik mit negativem

Verhältnis — bei dem Modulationsverstärker 4, 5

beispielsweise durch einen Eingangsstromkreis mit nichtlinearer Charakteristik erreicht ist, indem in den Eingangsstromkreis einer jeden der beiden Röhren 4 und 5 ein Schaltgebilde 40 bzw. 41 mit einem Halbleiter, vorzugsweise aus Germanium, eingeschaltet ist. Bekanntlich ergibt die Charakteristik dieser Gleichrichter das aus Abb. 5 ersichtliche Kurvenbild, das die Abhängigkeit des Ausgangsstromes / von der Eintrittsspannung V zeigt. Aus der Kurve nach Abb. 5 ist ersichtlich, daß die Gleichrichter nicht wirksam sind, wenn die Amplitude des ankommenden Zeichens unter einem für den Kristall kennzeichnenden Schwellenwert OA bleiben, während für Zeichen mit einer diesen Wert OA überschreitenden Amplitude die Impedanz der Gleichrichter nicht mehr unendlich ist und ein veränderlicher Bruchteil der Energie des ankommenden Zeichens übertragen wird. Die Gleichrichter 40, 41 wirken daher auch als Amplitudenbegrenzer. Das dem Eingangsstromkreis der Röhren 4, 5 zugeführte Zeichen ist somit gleich dem ankommenden Modulationszeichen, wenn dieses schwach ist, und gleich dem durch die Gleichrichterwirkung verformten

Modulationszeichen, wenn die Amplitude des ankommenden Zeichens größer als der Wert OA ist. Bei der Schaltanordnung nach Abb. 4 ist die Belastungsimpedanz des Modulators durch die beiden auf die Frequenz der Trägerwelle abgestimmten Stromkreise 32 und 33 gegeben, während ein mit dem Verstärker 4, 5 gekoppelter, ebenfalls auf die Frequenz der Trägerwelle abgestimmter Stromkreis 34 mit dem Stromkreis ^ durch einen Leiter 35 in Verbindung steht, der von einem zwischen dem Kondensator und der Selbstinduktion des Stromkreises 34 liegenden Punkt nach dem Mittelpunkt der Induktanz des Stromkreises 33 führt. Diese Verbindung der Stromkreise 33 und 34 schließt jede gegenseitige Einwirkung zwischen ihnen aus. Der Stromkreis 33 ist an dem der Abzweigung des Leiters 35 gegenüberliegenden Punkt mit der Erde verbunden, und der Stromkreis 33 ist einerseits an die Verstärkerstufen 18 und andererseits über einen Kondensator 36 an die Erde angeschlossen. Der Kondensator 36 dient zum Ausgleich der Eintrittskapazität der Verstärkerstufen 18, um eine vollkommene Symmetrie der Stromkreise zu erzielen. Die Potentiale der Enden des Stromkreises 33 sind bei Fehlen einer dem Stromkreis 34 zugeführten Spannung symmetrisch mit Bezug auf Erde.

Das im Anodenkreis 16 des Verstärkers 4, 5 erscheinende Zeichen wird im Stromkreis 34 aufgenommen. Die beiden den Gegentaktmodulator bildenden Röhren 12, 13 liefern den Vektor F₂, und der die Röhren 5, 4 enthaltende Modulator den Vektor V₁, und die Addierung dieser beiden Vektoren findet

im Stromkreis 33 durch Vermittlung des Leiters 35 statt, so daß man am einen Ende des Stromkreises 33 eine Spannung erhält, welche die vektorielle Summe der beiden einfallenden Spannungen darstellt.

Die Gleichrichter 40 und 41 der Schaltanordnung nach Abb. 4 können durch irgendwelche anderen Schaltungsgebilde mit einseitiger Leitfähigkeit, z. B. durch Zweielektrodenröhren 43, ersetzt werden. In diesem Fall ist es, wie Abb. 6 zeigt, notwendig, eine Hilfsspannungsquelle 43 für die Polarisation jeder Röhre vorzusehen, welche die Reizschwelle der Zweielektrodenröhre 44 bestimmt. Die Schaltanordnung nach Abb. 6 ist im übrigen die gleiche wie bei Abb. 4. Abb. 7 zeigt eine Schaltanordnung nach der Erfindung, bei welcher die kubische Charakteristik mit negativem Verhältnis — bei dem Modulationsverstärker 4, 5 mit Hilfe einer Anodenbelastung erreicht ist, die eine hohe Impedanz bei den Frequenzen des Modulationszeichens und den der Trägerwellenfrequenz nahekommenden Frequenzen aufweist. Die Schaltung nach Abb. 7 unterscheidet sich von der Anordnung nach Abb. 4 dadurch, daß unter Fortlassung der Gleichrichter 40, 41 der Abb. 4 die

Belastung des den Vektor V₁ liefernden Modulators 4,5 zwei Anodenwiderstände 37, 38 umfaßt, von denen aus die Spannungsquelle H S die Anoden der Röhren 4, 5 speist. Der Schwingungskreis 16 ist hierbei über die Kondensatoren 30 und 31 mit den Anoden der Röhren gekoppelt. Die an die Gitter der Röhren 4, 5 angeschlossenen Stromkreise sind nach Abb. 7 in der gleichen Weise wie bei Abb. 1 ausgebildet, während die Verbindung der Röhren 12 und 13 mit dem Stromkreis 16 über die gleichen Stromkreise 34, 33, 32 wie bei der Schaltung nach Abb. 4 erfolgt. Die Kapazität der Kondensatoren 30 und 31 ist so gewählt, daß ihre Reaktanz groß gegenüber den Widerständen 37 und 38 bei den Modulationsfrequenzen und klein gegenüber der Impedanz des Stromkreises 16 bei den der Frequenz der Trägerwelle nahekommenden Frequenzen ist.

Abb. 8 veranschaulicht im Kurvenbild mit der Gitterspannung Vg und dem Anodenstrom i_a als Koordinaten die Betriebscharakteristiken einer der Röhren 4 und 5 des Verstärkers der Abb. 7. Die vollausgezogene Kurve 46 stellt die statische Charakteristik der Röhre bei konstanter Anodenspannung und die gestrichelte Kurve 47 ihre dynamische Charakteristik bei Niederfrequenz dar, und der Kurventeil 48 gibt die dynamische Charakteristik bei Hochfrequenz wieder. Die Punkte O und A haben hier eine ähnliche Bedeutung wie die Punkte O und A im Kurvenbild nach Abb. 5, und die Wirkungsweise der Schaltung nach Abb. 7 ist ähnlich wie bei der Anordnung nach Abb. 4.

Abb. 9 zeigt eine Abänderung der Schaltanordnung nach Abb. 7, bei der die geometrische Summierung

der Vektoren V₁ und V₂ ohne gegenseitige Einwirkung

der Modulatoren 4, 5 und 12, 13 erreicht wird. Der einen Teil der Belastungsimpedanz des modulierenden Verstärkers 4, 5 bildende Stromkreis 16, der induktiv mit dem abgestimmten Stromkreis 34 gekoppelt ist, steht über den Leiter 35 mit dem Mittelpunkt der Induktanz des abgestimmten Anodenkreises 32 des Modulators 12, 13 unmittelbar und nicht wie bei Abb. 7 über einen Zwischenkreis 33 in Verbindung und ist an dem der Abzweigung des Leiters 35 gegenüberliegenden Ende über einen Kondensator 45 geerdet und vor diesem an die Hochspannungsquelle H S angeschlossen.

Wenn der Modulator 12, 13 durch zwei Fünfelektrodenröhren gebildet ist, wird eine vollkommene Unabhängigkeit der beiden Modulatoren 4, 5 und 12, 13 erreicht. Die von den Röhren 4, 5 ausgehende Schwingungsspannung wird den Anoden der Röhren 12, 13 infolge der durch den Leiter 35 gegebenen Kopplung zugeführt. Die Amplitude dieser Komponente ist hinreichend klein gegenüber dem Wert der anodischen Speisespannung der Röhren 12, 13, um ohne Wirkung auf die Elektronenaussendung der Kathoden dieser Röhren zu bleiben.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

I. Schaltanordnung zur Phasenmodulierung von elektrischen Wellen, bei der die modulierte Welle durch die vektorielle Summierung von zwei in der Phase gegeneinander um 90⁰ verschobenen, durch das zu übertragende Zeichen modulierten Wellen gebildet wird, von denen die eine im Rhythmus des modulierenden Zeichens und die andere

nach dem Gesetz ι + ka¹, wo α die Amplitude des modulierenden Zeichens und k eine Konstante ist, in der Amplitude moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Gesetz ι -\- ka² S modulierte Welle in einem Gegentaktmodulations-

stromkreis (4, 5), vorzugsweise mit k = ,

erzielt und die vektorielle Summierung der zwei zu addierenden modulierten Wellen ohne gegenseitige Einwirkung der beiden sie erzeugenden Modulatoren (4, 5 und 12, 13) herbeigeführt wird (Abb. 1).
2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Wellenmodulierung nach dem Gesetz 1 + ka² bewirkende Modulationsstromkreis aus einem symmetrischen Verstärker (4, 5) besteht, der eine Gesamtcharakteristik nach der Formel / = aU + cU³ aufweist, in der / die Resultierende der Anodenströme

und U die Gitterspannung der den Vei stärker bildenden Röhren (4, 5) bedeutet und das Verhältnis -- auf Grund der entsprechenden Ausführung der Röhren (4, 5) oder Röhrenschaltung negativ ist (Abb. 1, 4, 7).
3. Schaltanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Eingangsstromkreis des die Modulierung nach dem besonderen Gesetz bewirkenden Modulators (4, 5) Schaltgebilde (40, 41) mit einseitiger Leitfähigkeit, insbesondere Gleichrichter, eingeschaltet sind (Abb. 4).
4. Schaltanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Klemmen des die Modulierung nach dem besonderen Gesetz ausführenden Modulators (4, 5) eine Belastungäimpedanz (37, 38) verbunden ist, die einen hohen Wert bei den Modulationsfrequenzen und bei den der Frequenz der Trägerwelle nahekommenden Frequenzen hat (Abb. 7).
5. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vektorielle Summierung der beiden zu addierenden modulierten Wellen mit Hilfe von Stromkreisen bewirkt wird, von denen mindestens einer einen mittleren Punkt mit dem Hochfrequenzpotential Null hat (Abb. 9).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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