DE868620C

DE868620C - Verfahren und Vorrichtung zur Phasenmodulation, insbesondere fuer Vielfachsender mit breitem Frequenzband

Info

Publication number: DE868620C
Application number: DES20058A
Authority: DE
Inventors: Henri Chireix
Original assignee: Societe Francaise Radio Electrique
Current assignee: Societe Francaise Radio Electrique
Priority date: 1949-03-29
Filing date: 1950-09-30
Publication date: 1953-02-26
Also published as: US2677806A; CH285639A; GB674378A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltung für phasenmodulierte Sender, die eine in der Phase modulierte Welle aussenden mit einem breiten Frequenzband, dessen Übertragung sonst große Schwierigkeiten bereiten würde. Die Erfindung gestattet also z. B., in einfacher Weise Ultrakurzwellenvielfachsender mit einer großen Zahl von in der Phase modulierten Kanälen herzustellen, wobei die allgemeine Trägerwelle durch einen piezoelektrischen Quarz stabilisiert wird in bezug auf eine in der Frequenz modulierte Welle, deren Frequenzstabilität bedeutend geringer sein kann.

In seiner Allgemeinheit ist das Problem bereits dadurch gelöst worden, daß man die in der Frequenz modulierte Welle einer doppelten Frequenzumwandlung unterwirft, einmal mittels einer Frequenz, die von einem Quarzgenerator erhalten wird, und dann mittels einer Frequenz, die durch die erste Umsetzung erhalten wird, nachdem sie einen Phasenschieber durchlaufen hat. Es erscheint am Ausgang nach der letzten Frequenzumsetzung eine in der Phase modulierte Welle von der Frequenz des Quarzgenerators, eine Welle, deren Frequenz man eventuell durch Stufenfrequenzwandler vervielfältigt.

In Fig. ι wird die Modulation der Anfangsfrequenz vornehmlich mittels eines Reflexklystrons 11 erhalten. Wir bezeichnen mit fk seine Frequenz und mit ft die Abweichung der augenblicklichen Frequenz als Funktion der Zeit (f_t ist also positiv oder negativ, und die augeblickliche Frequenz ist /* + f_t). Nach der Umwandlung mit Hilfe einer Frequenz f_q, die von einem durch einen Quarz gesteuerten Generator 12 erhalten wird, wird man an den Ausgangsklemmen des Mischers 13 eine Welle von der Frequenz

erhalten. Man wird die beiden Möglichkeiten der Frequenzänderung vereinigen, indem man f_t positiv

und negativ macht. Diese Welle wird nach ihrem Durchgang durch einen Phasenschieber 15 auf einen zweiten Frequenzwandler 14 geschaltet, verbunden mit der in der Frequenz modulierten und genügend gedämpften Anfangswelle. Man wird am Ausgang der zweiten Frequenzwandlung eine Welle erhalten von der Frequenz des Quarzgenerators, die in der Phase moduliert ist. In Wirklichkeit ist die obige Überlegung nur teilweise genau, denn sie läßt vermuten, daß, wenn man die Empfindlichkeit des Phasenschiebers gegenüber" den Frequenzänderungen beliebig steigert, man eine beliebig große Phasenabweichung erhalten würde.
Eine viel genauere Überlegung ist die folgende: Ein Phasenschieber, dessen Phasenänderung linear proportional der Änderung der Frequenz ist, ist eine

Wenn man annimmt, daß die Frequenz fj (Trägerfrequenz) sich in dem Intervall T nicht geändert hat; findet man die Frequenz wieder:

In dem Fall, wo die Verzögerungsleitung in den Weg der nicht in der Frequenz umgewandelten Welle zwischengeschaltet wäre, würde man ähnlich haben:

insbesondere ist für T = O diese Welle = f_q, und .infolgedessen ist sie nicht moduliert.

Setzen wir eine Sinusmodulation mit der

Kreisfrequenz Ω = 2 π F

voraus, wo F die Modulationsfrequenz ist, so hat ft alsdann die Form:

f_t = f₀ sin Ω t,

und die erhaltene Welle hat als augenblickliche Frequenz:

-₀ sin Ω 11 + —

■)]

oder besser:

f α ± 2 f 0 sin Ω — cos Ω t. 2

(4)

Dieses ist gleichwertig einer Phasenmodulation mit der Frequenz f_q, die als. Kennzeichnung hat:

2 π f0 T

sin Ω

(5)

Die Relation (5) legt dem Wert T Begrenzungen auf. Man sieht in der Tat, daß, damit die Transformation der Anfangsfrequenzmodulation in eine Phasenirequenzmodulation übergeht, es notwendig ist, daß Einrichtung, die einen Verzug T darstellt, der unabhängig von der Frequenz ist. Eine derartige Einrichtung kann z. B. gebildet werden durch einen nicht pupinisierten Kabelabschnitt, der also frei von Phasenverzerrung ist.

Wenn eine deratige Einrichtung 15 nach der Schaltung gemäß Fig. 1 eingebaut ist, empfängt der zweite Mischer die Welle

und die Welle

Wählt man den Anfang der Zeit passend, so sieht man, daß die vom zweiten Mischer erhaltenen zwei Schwebungen der Frequenz entsprechen:

(ι)

sin ß

sin (π F T) ^

%FT —'

Dies begrenzte T praktisch auf

d. h. auf:

T—L·

für

= ι MHz.

T= —

Es ist ersichtlich, daß, wenn man FT = I macht, die Phasenmodulation für diese Frequenz F Null würde infolge des Umstandes, daß am Ort des zweiten Mischers man in jedem Augenblick die augenblickliche Frequenz am Eingang der Verzögerungsleitung wiederfinden würde. Man. wird nichtsdestoweniger bemerken, daß eine Verzögerung T die Empfindlichkeit der Umwandlung der Frequenzmodulation in Phasenmodulation ändert, aber nicht die Linearität dieser Umwandlung als Funktion der Abweichung der Anfangsfrequenz f₀.

Man sieht nichtsdestoweniger, daß die Verzögerungsleitung, die vorzusehen ist, trotz alledem beträchtlich ist und von einer Ordnung von

_7itts für

wenn man eine genügend gute Empfindlichkeit haben will. Dies ergibt 75 m für ein Luftkabel oder angenähert 50 m, wenn man ein Kabel gebraucht mit einem festen Dielektrikum, etwa aus Polythen.

Im übrigen zeigt ein Kabel, das mit Polythen isoliert ist, bei Ultrahochfrequenz wesentliche Verluste. Die Dämpfung, die vom Durchmesser des Kabels fast unabhängig ist, ist proportional der Frequenz und von der Ordnung von 100 bis 200 Dezibel für die Mikrosekunde in bezug auf die Verzögerung für eine Frequenz von der Ordnung 3000 MHz. Endlich verlangt das oben beschriebene Verfahren in Verbindung mit Fig. 1 das Einschalten von Filtern, um die unerwünschten Frequenzen zu beseitigen. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine einfache

Schaltung herzustellen, welche das erwähnte Verfahren durchzuführen gestattet und in welcher die vorher definierte Verzögerungsleitung einerseits auf die Hälfte ihrer Länge herabgesetzt werden kann und gleichzeitig als Wellenfilter wirkt, indem man von der Änderung ihrer Dämpfung als Funktion der Frequenz Gebrauch macht. Zu diesem Zweck durchläuft die in der Frequenz modulierte Welle von der Trägerfrequenz /j, die z. B. von einem über die ίο Reflexelektrode modulierten Reflexklystron geliefert sein kann, eine Verzögerungsleitung, die aus einem Kabel mit dielektrischer Füllung besteht. Sie erfährt

T
hier eine Verzögerung von — und eine relativ hohe

Dämpfung. Am Ende dieser Leitung ist ein Modulator angeordnet, der aus einem Kristallmischer besteht, der durch eine Frequenz f_s von derselben Größenordnung wie fu erregt wird, so daß hieraus eine Schwebungsfrequenz von relativ kleinem Wert entsteht. Diese Schwebungsfrequenz durchläuft die Verzögerungsleitung rückwärts im entgegengesetzten Sinn und erfährt aus diesem Grunde eine neue Ver-

zögerung von — und nur eine schwache Dämpfung.

Man findet also am Eingang der Leitung, d. h. am Ausgang des Reflexklystrons, einerseits die durch dieses Klystron ausgesandte Welle

h + ft \t + -

wieder mit einem erhöhten Niveau und das Echo dieser Welle mit der Frequenz

mit einem Niveau, das viel schwächer ist, aber indessen viel stärker erhöht als dasjenige, welches der Frequenz

n + ft\t

fa

entspricht, diese selbst viel stärker erhöht. Wenn man also parallel zum Generator (Reflexklystron) einen zweiten Kristallmischer vorzugsweise am Ende einer zweiten Leitung schaltet mit indifferenter Verzögerung, aber mit einer mit der Frequenz wachsenden Dämpfung, wird man, wenn man die höhere Schwebung aussondert und die Verzögerung der ersten Leitung passend dimensioniert, entsprechend der· früheren Darlegung eine Welle von der Zwischenfrequenz f_q erhalten, die sehr stabil und in der Phase moduliert ist.

Die Erfindung wird an Hand der Fig. 2 weiter

dargelegt. In einem Reflexklystron 21 wird die Frequenz über seine Reflexelektrode moduliert mittels Modulatorspannungen, die bis f_max = 1 MHz gehen können. Mittels der Schleife 22, deren Länge weiter unten genauer bestimmt wird, ist es mit zwei Kabeln 23 und 27 gekoppelt, die die gleiche Charakteristik und eine Dämpfung proportional der Frequenz besitzen. Wir wollen voraussetzen, daß das Klystron eine Zwischenfrequenz /j = 3900 MHz besitzt und 0,1 Watt Leistung in jedes der Kabel liefert, wobei das Niveau —10 Dezibel gegenüber 1 Watt beträgt.

Einerseits ist an die Klemmen des Klystrons die Leitung 23 mit der Verzögerung — = -— ^s ange-

schlossen, deren Dämpfung proportional der Frequenz angenommen wird mit einem Dämpfungsanstieg von 0,5 db für 100 MHz.

Die Leitung 23 setzt sich über einen Abschnitt 24 von einer Viertelwelle in bezug auf die Frequenz fy fort, dieser besitzt eine andere charakteristische Impedanz und hat die bekannte Aufgabe, die Impedanz anzupassen. Die Leitung 24 arbeitet auf einen Kristallinischer 25, der durch einen Kreis 26 mit der Frequenz f_t erregt wird, deren Stabilität durch Quarz gesteuert wird. Es sei angenommen, daß fq = 3600 MHz und daß die verfügbare Leistung einige Milliwatt beträgt.

An die Klemmen des Klystrons ist ferner eine Leitung 27 angeschlossen, deren Laufzeit beliebig sein kann, von der man aber voraussetzt, daß sie gegenüber den verschiedenen Frequenzen dieselbe Dämpfung besitzt wie die Leitung 23. Endlich ist die Leitung 27 durch einen zweiten Kristallmischer 28 geschlossen, der mit dem gleichfalls auf die Frequenz f_q abgestimmten Kreis 29 in Serie hegt.

Man kann nun die Arbeitsweise wie folgt auseinandersetzen :

Wählt man die charakteristische Impedanz des Viertelwellenlängeneiements 24 passend, so kann man den mittleren Widerstand des Mischers 25 an die Leitung 23 derart anpassen, daß, sobald unter der Wirkung der angewandten Modulation in 26 sein Widerstand sich von einem Extremwert auf einen anderen ändert, die Reflexionskoeffizienten, die an der Verbindungsstelle 23, 24 durch die schlechte Anpassung eingeführt werden, Werte annehmen, die offenbar gleich, aber von entgegengesetztem Vorzeichen sind. Für den einen Fall wird man eine Phasenreflexion erhalten und für den anderen eine in der Phase entgegengesetzte Reflexion. Es wird hieraus eine Modulation der einfallenden Welle folgen, die mehr oder weniger vollständig ist, während der Träger theoretisch unterdrückt ist.

Läßt man einen Verlust für die Umwandlung von beispielsweise 10 Dezibel zu, so sieht man, daß der Kristall 25 die Frequenz des Klystrons 21 mit der

Verzögerung — erhält und gedämpft ist um 39 -0,5

= 19,5 db, wenn das absolute Niveau — 29,5 db ist. Die Änderung der Frequenz wird zu einer Schwebung führen über 3900 bis 3600 = 300 MHz, und man wird diese Schwebung an der Verbindung von 23 und 27 wiederfinden, geschwächt um 3 · 0,5 = 1,5 db. Das absolute Niveau in diesem Punkt bei dieser Frequenz wird also sein —29,5 —10 —1,5 = —41 db gegenüber 1 Watt.

Dies wird indessen nur stimmen, wenn die Schleife 22 diese Frequenz nicht shuntet. Man wird so dazu geführt, dieser Schleife eine derartige Abmessung zu geben, daß sie z. B.. einem Viertel der Welle von 300 MHz entspricht.

An der Stelle des Mischers 28 wird die Schwebung 300 MHz nochmals zusätzlich um 1,5 db gedämpft, bei dem absoluten Niveau — 42,5 db, während die

Welle des Klystrons wie in 25 mit dem Niveau — 29,5 db anlangen wird.

Die Differenz von 13 db rührt von den Verlusten bei der Umkehrung in 25 her, die auf το db gewertet werden, und von der Gesamtdämpfung in 23 und 27 für die Schwebungsfrequenz.

An den Klemmen, von 29 findet man die Welle

von der Frequenz f_q moduliert in der Phase wieder.

Man sieht andererseits, daß, wenn man eine andere Schwebung von 25 wählt und deren Zwischenfrequenz den Wert 3900 + 3600 = 7500 MHz hat, daß dann das erhaltene Niveau in 28 unterhalb 72 db sein wird. Die Dämpfung längs 23 und 27 ist für diese Welle 75 db anstatt 3 (bezogen auf die Frequenzen 7500

und 300). Man wird gleichfalls bemerken, daß die direkte Frequenz f_q im Mischer 28 nicht umgesetzt ist infolge einer Dämpfung von 36 db, die für diese Frequenz durch die Leitungen 23 und 27 eingeführt ist und da die Schleife 22 sich für diese Frequenz wie ein Kurzschluß verhält (12 Viertel der Welle).

Hieraus folgt die zusätzliche Bedingung, daß man daran Interesse hat, daß die Schwebungsfrequenz eine geradzahlige Unterharmonische der Frequenz f_q ist. Schließlich kann man zulassen, daß an der Veras bindungsstelle von 23 und 27 ein wenig von der Spannung der vom Klystron zurückgeworfenen Frequenz von 25 gelangt infolge einer schlechten Unterdrückung des Trägers bei der ersten Mischung. Dieser Rest ist gleichfalls infolge der Charakteristiken des Kabels stark gedämpft.

Obgleich es nicht dargestellt ist, besteht gleichfalls Interesse daran, zwischen 27 und 28 ein derartiges Anpassungselement anzubringen wie zwischen 23 und 25, wenn der Kristall keine passende Impedanz besitzt.

Man sieht ferner, daß die Leitung 27, die nicht unentbehrlich ist, sehr natürlich ist, um eine zusätzliche selektive Dämpfung zu liefern. Diese Leitung, deren Verzögerung keine Rolle spielt; sondern nur die

Dämpfung, kann sehr kurz sein gegenüber der Leitung 23, Wenn man sie vorsorglich systematisch aus einem Kabelabschnitt herstellt mit hohen dielektrischen Ver-■ lusten.

Jede Schaltanordnung, die den Erfmdungsgedanken

enthält und in welcher man unter dem Gesichtspunkt, die Länge der Verzögerungsleitung zu verringern, die Leitung das erste Mal in einer Richtung durch die in der Frequenz modulierte, vom Generator gelieferte Welle und das zweite Mal durch dieselbe Welle, sobald sie in der Frequenz gewandelt ist, in der anderen Richtung durchlaufen läßt, fällt in das Gebiet der Erfindung.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Verfahren zur Phasenmodulation, insbesondere für Vielfachsender mit breitem Frequenzband, dadurch gekennzeichnet, daß in der Frequenz modulierte Wellen einer ersten Verzögerung unterworfen werden und danach mit nicht modulierten, durch einen Quarz stabilisierten Wellen, die eine von der. Trägerfrequenz der modulierten Wellen verschiedene Frequenz besitzen, gemischt werden und die auf diese Weise erhaltenen Schwebungsfrequenzen mit Hilfe der gleichen Verzögerungsmittel einer zweiten Verzögerung unterworfen und mit den anfangs modulierten, nicht verzögerten Wellen gemischt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Verzögerung gleich sind.
3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Frequenz modulierten Wellen mit den nicht modulierten Wellen, die durch einen Quarz stabilisiert sind und eine gegenüber der Trägerfrequenz der modulierten Wellen verschiedene Frequenz besitzen, über einen Phasenschieber

(23) und einen ersten Umwandler (25) laufen, in dem die in der Frequenz modulierten und die nicht modulierten Wellen (f_q) Schwebungsfrequenzen erzeugen, und daß ein zweiter Umformer (28) die Schwebungsfrequenzen nach ihrem Durchgang durch denselben Phasenschieber und die modulierten, nicht verzögerten Anfangswellen in der Phase derart moduliert, daß sie als Träger die durch den Quarz stabilisierte Frequenz besitzen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber aus Verzögerungsleitungen bestehen.
5. Vorrichtung nach Anspruch ϊ und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Verzögerungsleitung und den ersten Umformer eine Impedanz zur Anpassung (24) geschaltet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung, die zwischen die Verzögerungsleitung und den ersten Umformer geschaltet ist, aus einem Abschnitt einer koaxialen Leitung besteht, deren Charakteristik von der der Verzögerungsleitung verschieden ist und eine Länge besitzt, die einer Viertelwellenlänge der Trägerfrequenz der in der Frequenz modulierten Welle entspricht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Umwandlern eine Dämpfungsvorrichtung vorgesehen ist, die aus einem Abschnitt einer koaxialen Leitung besteht und deren Frequenzdämpfung proportional derjenigen der Wellen ist, welche sie durchlaufen.
8. Vorrichtung nach Anspruch ι und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung der in der Frequenz modulierten Wellen mit der Verzögerungsleitung durch eine Kopplungsschleife erfolgt, deren Länge einer Viertelwellenlänge in bezug auf die kleinste Schwebungsfrequenz, die vom ersten Umformer kommt, entspricht.
9. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Trägerfrequenz der in der Frequenz modulierten Welle und derjenigen der von dem Quarz stabilisierten Welle eine geradzahlige Unterharmonische der letzteren ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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