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Verfahren zur Beseitigung der Verzerrungen, die bei der Demodulation
von Einseitenbandschwingungen im Empfangsgleichrichter entstehen Das Einseitenbandsendeverfahren
gelangte beim Rundfunk mit amplitudenmodulierten Trägerschwingungen bisher nicht
zur Anwendung, weil die nichtlinearen Verzerrungen in den vorhandenen Empfängern
zu groß werden. Denn bereits bei einer zo%igen Aussteuerung eines Einseitenbandsenders
durch einen oberwellenfreien Niederfrequenzton wird in einem Empfänger mit linearer
Gleichrichtung ein Klirrfaktor von 5% verursacht. Bei kommerziellem Funkbetrieb
mit Einseitenbandtelephoniesendern liegen zwar die Verhältnisse günstiger, da es
hierbei nicht auf die naturgetreue Wiedergabe der Sprache, sondern nur auf die Verständlichkeit
ankommt. Trotzdem wird man bei dem kommerziellen Einseitenbandbetrieb mit ganz oder
teilweise unterdrücktemTräger die beimEmpfänger -zugesetzte Trägeramplitude groß
gegenüber den Seitenbandamplituden machen, um die im Empfangsgleichrichter entstehenden
nichtlinearen Verzerrungen möglichst klein zu halten. Die frequenzgetreue Zusetzung
der Trägerfrequenz im Empfänger erfordert jedoch einen erheblichen technischen Aufwand,
vor allem im Kurzwellen- und Ultrakurzwellenbereich, da die Frequenzabweichung zwischen
der am Sender unterdrückten Trägerfrequenz und der im Empfänger zugesetzten höchstens
etwa ± io Hz betragen darf.
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Bei der Erfindung wird ein gänzlich anderer Weg beschritten, der die
Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet. Zur Beseitigung der Verzerrungen wird
die Verwendungeiner Kompensationsschaltung vorgeschlagen, die aus vollkommen symmetrischen
Empfangsgleichrichtern mit gleichen Kennlinien gebildet wird. Dem einen Empfangsgleichrichter
werden die Einseitenbandschwingungen mit Träger, dem anderen Empfangsgleichrichter
dagegen die
gleichen Einseitenbandschwingungen ohne Träger oder
mit einem anderen Modulationsgrad zugeführt. Die symmetrischen Ausgänge der beiden
Empfangsgleichrichter wenden gegeneinandergeschaltet. Zur Erklärung der Wirkungsweise
des erfindungsgemäßen Verfahrens wird folgendes ausgeführt: Entscheidend für die
nichtlinearen Verzerrungen durch den Empfänger ist die Art der Einseitenbandgleichrichtung
im Empfangsgerät. Die beiden praktisch in Frage kommenden Grenzfälle sind die lineare
und die quadratische Gleichrichtung. Silibenverständlichkeitsversuche haben gezeigt,
@daß der quadratische Empfangsgleichrichter eine .bessere Sprachwiedergabe ermöglicht
als der lineare, vor allem bei größeren Aussteuerungen des Einseitenbandtelephoniesenders.
Bei der quadratischen Gleichrichtung von Einseitenbandschwingungen treten nämlich
nur Verzerrungen durch Differenztöne erster Ordnung auf, die sich folgendermaßen
berechnen lassen: Das Hochfrequenzspektrum des mit einem Doppelton gemodelten Einseitenbandsenders
bestehe gemäß Bild i aus dem Träger = T - cos a t
und den beiden Seitenfrequenzen
(Bl=Sl. cos (a+«)1) t und (52=S2 - cos (a+co2) t. Der Träger hat also die
Amplitude T und die Frequenz a, die Seitenfrequenzen die Amplituden S1 und S2 sowie
die um die Modulationsfrequenzen co, und (o2 abweichenden Frequenzen (a+col) bzw.
(a+oo2). Ferner sei die Kennlinie des quadratischen Empfangsgleichrichters gegeben
durch die Gleichung: i=bo+bl # e-rb2.- e2, wobei i der Strom, e die Spannung sowie
b., bi und b2 die Konstanten bedeuten. Beim Einsetzen der drei l;Iochfrequenzglieder
in diese Gleichung erzeugt nur das quadratische Glied b2 # e2 folgende Niederfrequenzen
b2 # e2 = b2 . [T . cos a t + S1 # cos (a + c)1)
t + S$ # cos (a + c)s) t]2 b2.
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[T # S1 # cos cvl t + T # S2 # cos 0o2 t + S1
. S2 # cos (002 - 0o1) 11 .
Als einzige nichtlineare Verzerrung tritt also
der Differenzton erster Ordnung mit der Differenzfrequenz (co2-col) und der Amplitude
b2 - S1 - S2 auf. Moduliert man den Einseitenbandsender statt mit einem Doppelton
mit dem Frequenzgemisch üil, (02, (93, w4 usw., dann erhält man am Ausgang des quadratischen
Empfangsgleichrichters an Stelle der einzigen Differenzfrequenz folgende Differenzfrequenzen:
(a)2-wl), 43-(»1), (C04-'01), (03-W2), «04-£02)1 (W4 CO3) USW.
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Gleichzeitig läßt obige Ableitung erkennen, daß die Amplituden dieser
Differenztöne unabhängig von der Größe der Trägeramplitude sind, da diese Differenztöne
auch bei trägerlosem Einseitenbandbetrieb am Ausgang des quadratischen Empfangsgleichrichters
auftreten. Es zeigt sich also, daß in einer Kompensationsschaltung gemäß der Erfindung,
die z. B. gemäß Bild 2 aus den beiden vollkommen symmetrischen Empfangsgleichrichtern
G1 und G2 mit den gleichen quadratischen Kennlinien besteht, und in der dem Empfangsgleichrichter
G1 die Einseitenbandsohwingungen mit Träger und dem Empfangsgleichrichter G die
gleichen, jedoch trägerlosen Einseitenbandschwingungen zugeführt werden, die durch
das Auftreten der Differenztöne erster Ordnung verursachten nichtlinearen Verzerrungen
beseitigt werden. Zweckmäßigerweise werden die Niederfrequenzausgänge der beiden
Empfangsgleichrichter, die beispielsweise aus zwei gleichen Transformatoren Al und
A2 bestehen, gegengeschaltet, so daß die in den beiden Empfangsgleichrichtern erzeugten
Differenztöne erster Ordnung am Ausgang der Kompensationsschaltung sich aufheben
und nur noch die gewünschten urverzerrten Niederfrequenztöne w1, w2 usw. vorhanden
sind.
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Die Art der Trägerzusetzung oder der Trägerwegfilterung richtet sich
nach der Art des Einseitenbandbetriebes. Bei trägerlosem Einseitenban.dempfang erfolgt
die Trägerzusetzung beispielsweise gemäß Bild 3. Die trägerlosen Einseitenbandschwingungen
werden zunächst in dem ein- oder mehr stufigen Hochfrequenzverstärker hl verstärkt
und dann den beiden Empfangsgleichrichtern G1 und G2 von gleicher Bauweise zugeführt.
Der im Empfänger zugesetzteHilfsträger T1 wird in geeigneter Weise dem Empfangsgleichrichter
G1 überlagert. Eine Rückwirkung des Hilfsträgers Ti auf den Empfangsgleichrichter
G läßt sich durch zweckmäßige Arnkopplung oder durch Zwischenschaltung einer Trennstufe
vermeiden. Ferner läßt sich theoretisch nachweisen, daß eine gewisse Rückwirkung
des Hilsfträgers T1 auf den quadratischen Empfangsgleichrichter G2 die Kompensierung
der Differenztöne erster Ordnung in keiner Weise beeinflußt, sondern nur die Größe
der urverzerrten Nutzamplituden am Ausgang der Kompensationsschaltung. Mit anderen
Worten: Man kann dem quadratischen Gleichrichter G2 Einseitenbandschwingungen mit
einem Restträger To zuführen, dem quadratischen Gleichrichter G1 dagegen die gleichen
Einseitenbandschwingungen mit dem gleichen Restträger To und den im Empfänger zugesetzten
frequenzgetreuen Hilfsträger T1, dann lassen sich unabhängig von diesen Trägeramplituden
To und T1 die Differenztöne erster Ordnung kompensieren.
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Bei Einseibenbandempfang mit Träger wird man gemäß Bild 4 die trägerbehafteten
Einseitenbandschwingungen zunächst in dem ein- oder mehrstufigen Hochfrequenzverstärker
hl verstärken, dann mit Hilfe des ein- oder mehrfachen Bandum.setzers B1 in einen
sehr niedrigen Zwischenfrequenzbereich verlagern. Diese trägerbehafteten Zwischenfrequenzen
führt man nunmehr einerseits direkt dem quadratischen Empfangsgleichrichter G1,
anderseits über ein sehr hochwertiges Filter F1, in dem der Zwischenfrequenzträgerunterdrückt
wird, dem quadratischen Empfangsgleichrichter G2 zu, der die gleiche Schaltung und
Bauweise wie der quadratische Gleichrichter G1 besitzt. Am Ausgang der Kompensationsschaltung
erhält man dann die gewünschten urverzerrten Niederfrequenzen, sofern
durch
entsprechende Amplitudenregelung die in den beiden quadratischen Gleichrichtern
G1 und G2 erzeugten Differenztöne erster Ordnung gleich groß gemacht und durch Gegenkopplung
um i8o° kompensiert werden.
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Wie -bereits erwähnt, ist es nicht unbedingt notwendig, daß im Filter
F1 der Zwischenfrequenzträger vollständig herausgesiebt werden muß. Der amAusgang
des Filters noch vorhandeneRestträger beeinflußt in keiner Weise die Kompensierung
der Differenztöne erster Ordnung. Die auf die beiden quadratischen Gleichrichter
einwirkenden Trägeramplituden müssen nur verschieden groß sein, damit man entsprechende
Nutzamplituden am Ausgang der Kompensationsschaltung erhält.
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Auch bei Einseitenbandbetrieb mit teilweise unterdrücktem Träger wird
man sinngemäß am Ausgang der Kompensationsschaltung eine unverzerrte Sprach- oder
Musikwiedergabe haben, ohne daß im Empfänger ein frequenzgetreuer Hilfsträger zugesetzt
werden muß, der einen erheblichen technischen Aufwand zur Erzielung einer hohen
Frequenzkonstanz erfordert. Da .bei der quadratischen Gleichrichtung die Nutzamplituden
proportional dem Produkt aus der Restträgeramplitude T und den Seitenfrequenzamplituden
S sind, wird man zweckmäßigerweise den Restträger nicht zu klein wählen. Beträgt
z. B. die Amplitude des teilweise unterdrückten Trägers 2o bis 30% der Gesamtaussteuerung
des Einseitenbandsenders, dann stecken in dem Restträger nur 4 bis 9% der maximalen
Leistung,des Einseitenbandsenders.
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Versuche mit zwei gleichartigen .Anodengleichrichtern in der obigen
Kompensationsschaltung haben gezeigt, daß sich die in diesen Empfangs= gleichrichtern
mit rein quadratischen Kennlinien entstehenden nichtlinearen Verzerrungen restlos
kompensieren lassen.
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Es ist bekannt, daß bei der Demodulation von Einseitenbandsehwingungen
in einem Empfangsgleichrichter mit rein linearer Kennlinie am Ausgang dieses Gleichrichters
außer dem Differenzton erster Ordnung noch weitere Kombinationstöne zwischen den
Nutzfrequenzen co, und co2 [z. B: (10l -C02), (2 W1-032)1 (2 (02 Co1) uISW.1, SOWIe
deren Oberwellen (z. B. 20.)1, 2W2, 3(»1, 3c02 usw.) auftreten, wobei der Differenzton
erster Ordnung (0)2-0)l) vorherrschend ist. Es wird der Nachweis erbracht, daß auch
bei Verwendung von linearen Empfangsgleichrichtern in der neuen Kompensationsschaltung
die durch den Demodulationsvorgang erzeugten nichtlinearen Verzerrungen nahezu restlos
kompensiert werden können. Dies trifft z. B. für den Fall zu, daß den beiden linearen
Empfangsgleichrichtern Einseitenbandschwingungen mit verschiedenen Modulationsgraden
zugeführt werden. Die Beweisführung ist folgende: Der Wurzelausdruck
stellt den Amplitudenverlauf ,der Einhüllenden dar, wenn die Trägeramplitude T=
i des Einseitenbandsenders mit zwei oberwellenfreien Tönen der Frequenzen col und
o), gleichzeitig moduliert wird, deren Modul:ationsgrade ml und m2 betragen. Dieser
Wurzelausdruck ist für die im linearen Empfangsgleichrichter erfolgende Demodulation
oder Einseitenbandschwingungen allein maßgebend. Entwickelt man ihn in eine binomische
Reihe, dann erhält man folgende Näherungsformel:
Damit die von höheren Potenzen herrührenden nichtlinearen Verzerrungen vernachlässigt
werden können, darf der Gesamtmodulationsgrad enges
=(ml+m2) .des Einseitenbandsenders
5o% nicht wesentlich überschreiten. Bei Berücksichtigung der ersten drei Glieder
der binomischen Reihe ergeben sich folgende Verzerrungsglieder:
Am Ausgang des linearen Empfangsgleichrichters treten somit als nichtlineare Verzerrungen
in erster Linie nur die Differenz- und Summationstöne erster Ordnung sowie die ersten
Oberwellen der Grundtöne auf.
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Drückt man die gleichen Einseitenbandschwingungen dem zweiten linearen
Empfangsgleichrichter auf, jedoch mit einer anderen Trägeramplitude, wobei der neue
Madulatiornsgrad sich um den Faktor p vom ersten Modulationsgrad unterscheidet,
dann erhält man am Ausgang dieses linearen Empfangsgleichrichters folgende Niederfrequenzen:
Damit sich die nichtlinearen Verzerrungen (Differenz- und Summationstöne erster
Ordnung sowie die ersten Oberwellen der Grundtöne) in der neuen Kompensationsschaltung
restlos aufheben, müssen die Ausgangsspannungen des ersten linearen Gleichrichters
um den Faktor p2 geändert werden.
Am Ausgang der Gegenkopplungsschaltung
treten -dann folgende Nutzspannungen auf: (P2 - p) . (ml . cos co, t -+-
m$ # cos 602 t). (4)
Die erforderliche gegenphasige Spannungsgleichheit der
nichtlinearen Verzerrungsglieder stellt man am einfachsten mit einem Potentiometer
ein.
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Durch Differentiation läßt sich der günstigste Faktor p=o,5 ermitteln,
bei dem die größten Nutzamplituden erzielt werden. Die Wahl des Faktors p ist jedoch
nicht sehr kritisch, da man im Bereich p=o,3 bis 0,7 stets brauchbare Nutzamplituden
erhält.
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Auch bei Einseitenbandschwingungen mit relativ hohen Modulationsgraden
von z. B. 8o bis iooo/o kann mit der neuen Kompensationsschaltung eine weitgehend
verzerrungsfreie Gleichrichtung erzielt werden. Für die Kompensationsschaltungen
mit linearen Empfangsgleichrichtern kommen z. B. Duodioden in Frage.
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Da die Kennlinien der bekannten Empfangsgleichrichterschaltungen,
z. B. Audionsschaltung, innerhalb der beiden Grenzfälle, der linearen und der quadratischen
Gleichrichtung, liegen, läßt sich obiger Erfindungsgedanke auf alle bekannten Gleichrichtersohaltungen
sinngemäß anwenden.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens beschränkt sich nicht nur auf
die Einseitenbandmodulation für Sprache oder Musik, sondern ist auch für die Fernseheinseitenbandmodulation
und für alle übrigen Einseitenbandmodulationsverfahren möglich. Vor allem :ist sie
selbstverständlich nicht nur für drahtlose Übertragungen möglich. Auch für leitungsgebundene
Ein.seitenbandmodulation kann sie mit Vorteil durchgeführt werden.