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Trägerfrequenz-Nachrichtenübertragungssystem Es sind Trägerfrequenz
-Nachrichtenübertragungssysteme bekannt, bei denen mehrere in einen höheren Frequenzbereich
umgesetzte Nachrichtenkanäle über Hochspannungsleitungen übertragen werden. Die
zur Trennung der einzelnen Sprechabschnitte notwendigen Trennmittel bestehen im
wesentlichen aus elektrischen Weichen, die aus an den Verteilungspunkten in den
Leitungszug der Hochspannungsleitungen geschalteten Hochfrequenzdrosseln und aus
Kondensatoren, über welche das zu übertragende hochfrequente Nachrichtenband auf
die Hochspannungsleitungen gebracht wird, aufgebaut sind. Infolge der auf Hochspannungsleitungen,
insbesondere Überlandleitungen, bestehenden sehr hohen Spannungen und der großen
Stromstärken sind insbesondere mit Rücksicht auf die geforderte Spannungssicherheit
große Anlagen, beispielsweise Spulen von großem Ausmaß notwendig, die im allgemeinen
an allen Schaltern und Verzweigungspunkten gebraucht werden. Derartig gebaute Weichen
stellen einen einfachen Tiefpaß dar, der zwar zur Trennung der netzfrequenten Hochspannungsenergie
von dem hochfrequenten Nachrichtenband ausreicht, aber die hochfrequente Nachricht
nicht vollkommen an einem Weiterfließen über diesen Tiefpaß hinweg hindern kann.
Dies zwang bei derartigen Einrichtungen dazu, daß in Nachbargebieten der durch Telefonie
ausgenutzten Leitungen nicht mehr derselbe Frequenzbereich für die Nachrichtenübertragung
benutzt werden konnte. Dazu kommt noch, daß unkontrollierbare Kopplungen in Hochspannungseinrichtungen,
z. B. in Schaltanlagen, vorhanden sind. Es ist daher nicht selten, daß@ Nachrichten
über sehr große Entfernungen hinweg mitgeschleppt werden. Nachteilig ist weiterhin
noch, daß bei der bekannten
E%ktfi'zitätswerksteleforie -die. zu
übertragenden Frequenzen nicht zu hoch gewählt werden dürfen, so daß sich nur ein
enger Frequenzbereich ausnutzen läßt.
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Bekannte Vorschläge sehen zur- Nachrichtenübertragung sogenannte Drahtwellenleiter
vor. Drahtwellenleiter sind solche Leiter, bei denen durch besondere Ausbildung
der Leiteroberfläche oder durch besondere Führung des den Leitungsstrom führenden
Leiters die sich längs eines Drahtwellenleiters ausbreitende elektromagnetische
Welle, die sogenannte Drahtwelle, um diesen konzentriert.
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Um bei der Übertragung von Drahtwellen über Leiteranordnungen zur
Fortleitung kurzer und sehr kurzer elektromagnetischer Wellen die radiale Feldaas-dehnung
herabzusetzen bzw. das elektromagnetischeFeld um. den Leiter zu konzentrieren, kann
der Drahtwellenleiter beispielsweise schraubenlinienförmig gestaltet sein, so daß,
die Leitungsströme schraubenlinienförmig um die Leiterachse verlaufen. Das elektromagnetische
Feld konzentriert sich um so mehr um den Leiter, je kleiner der Steigungswinkel
des schraubenlinienförmig verlaufenden Leiters ist. Ferner ist die Feldkonzentration
im wesentlichen noch vom Durchmesser der Einzelleiteranordnung und von der Wellenlänge
der elektromagnetischen Welle abhängig. Vorteilhaft ist es jedoch, für eine Übertragung
von Drahtwellen eine günstige Feldkonzentration der zu übertragenden hochfrequenten
elektromagnetischen Wellen zu wählen.
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Ein Trägerfrequenz - Nachrichtenübertragungssystem unter Verwendung
von Hochspannungsfreileiturigen als Übertragungsmittel ist gemäß der Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß Wellen einer solchen Erregungsart auf einem Einzelleiter übertragen
werden, daß sich die elektromagnetische Nachrichtenenergie in einem' Zylinder mäßigen
Durchmessers um den Leiter konzentriert.
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Hochspannungsleitungen bestehen meist aus seilförmigen, vielfach hohlen
Leitungen, die durch mehrere miteinander verdrillte Einzeldrähte gebildet werden.
Eine solche Hochspannungsleitung besitzt also bereits eine schraubenlinienförmig
verlaufende Oberfläche und weist somit auch bereits die Eigenschaften einer Einzelleiteranordnung
zur Fortleitüng kurzer und sehr kurzer elektromagnetischer Wellen auf (Drahtwellenleiter).
Bei bereits verlegten Hochspannungsleitungen sind die Übertragungseigenschaften
vorbestimmt, so däß, man sich bei der Wahl der Betriebsfrequenz danach richten maß.
Bei Erstellung neuer Hochspannungsleitungen wird man jedoch bei der Wahl der Frequenzbereiche
freier, da man günstig gebaute Leitungen verwenden kann. Insbesondere kann man die
Leitungsseile derart bauen, daß deren Oberfläche eine zur Drahtwellenübertragung
geeignete Struktur, z: B: Isolierschicht um den Leiter, gerippte oder schraubenlinienförmig
verlatzferide Oberflächen, aufweist.
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Eine Nachprüfung bei üblichen Hochspannungsleitungen hat ergeben,
daß, sie bei Verwendung in einem Übertragungssystem nach der Erfindung gut brauchbare
Übertragungseigenschaften aufweisen. Die Dämpfung der als Drahtwellenleiter verwendeten
Hochspannungsleitung liegt dann so, daß sich die Übertragung ohne Zwischenverstärkung
über genügend große Entfernungen, z. B. bis etwa 40 km, durchführen läßt. Größere
Entfernungen werden in an sich bekannter Weise in Verstärkerfeldlängen aufgeteilt,
wobei nach jeder Verstärkerfeldlänge ein Zwischenverstärker für die Drahtwellen
angeordnet ist.
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Die Ankopplung der zu übertragenden kurzen Wellen an die als Drahtwellenleiter
dienende Hochspannungsleitung erfolgt durch geeignete Anregungsmittel, insbesondere
durch auf der Leitung angeordnete trichterförmige Drahtwellenerreger. Als solcher
Erreger eignet sich insbesondere - ein Trichter, dessen Ende geringeren Durchmessers
in ein zur Leitung axial liegendes Rohr übergeht; die Länge dieses Rohres wird dabei
etwa zu ein Viertel der Betriebswellenlänge gewählt. Dieses Rohrstück bildet mit
dem Hochspannungsleiter ein koaxiales Leitungsstück, welches in der Nähe der Resonanzfrequenz
einen hohen Widerstand darstellt. An dieser Stelle wird folglich die Hochspannungsleitung
für die Drahtwellen hochohmig abgeschlossen, ohne den Leitungszug der Hochspannungsleitung
z. B. durch Drosseln unterbrechen zu müssen. An einem Punkt maximaler Spannung des
Viertelwellenlängenleitungsstückes kann man die Hochfrequenzenergie über Wellenleiter,
z. B. Hohlleiter od. dgl., insbesondere aber auch über Drahtwellenleiter, zuführen.
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Um die Spannungssicherheit bei einer Anordnung nach der Erfindung
zu erhöhen, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Hochfrequenzenergie
dem Drahtwellenerreger drahtlos zugeführt. Zu diesem Zweck werden diesen Drahtwellenerregern
noch Elemente, insbesondere Trichter- oder Hornstrahler zugeordnet, welche die Hochfrequenzenergie
in einer anderen Richtung, beispielsweise senkrecht zur Hochspannungsleitung abstrahlen
bzw. aus dieser Richtung aufnehmen können. Über diese drahtlose Verbindung kann
eine Anfangs-, End- oder Zwischenverstärkerstatioti mit dem als Drahtwellenleter
verwendeten Hochspannungsleiter durch Strahlung gekoppelt werden.
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An Hand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels für
eine Drahtwellenzwischenverstärkerstation soll die Erfindung näher beschrieben werden.
Solche- Zwischenverstärkerstationen sowie die Anfangs- und Endstation ordnet man
zweckmäJßigerweise in der Nähe von Befestigungspunkten der Hochspannungsleitung
an, beispielsweise an einem Leitungsmast. An den am Querträger dieser Masten 9 hängenden
Isolatorketten i ist die Hochspannungsleitung 2 aufgehängt. Beiderseits dieser Isolatorkette
sind Drahtwellenerreger 3 angebracht, die aus einem trichterförmigen Teil und einem
rohrförmigen, vorzugsweise A/4-langen Teil (.1 = Wellenlänge) bestehen, wobei diese
Teile koaxial zur Hochspannungsleitung liegen und an dem Ende 4 des rohrförmigen
Teiles mit dem Hochspannungsleiter verbunden, z. B. verklemmt sind.
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Durch den trichterförmigen Teil des Drahtwellenerregers
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werden die sich längs der Hochspannungsleitung ausbreitenden elektromagnetischen
Wellen angeregt bzw. vom Drahtwellenleiter abgenommen. Wie sich zeigen läßt, breitet
sich die Drahtwelle um den Drahtwellenleiter konzentriert aus, und zwar derart,
daß der größte Teil des elektromagnetischen Feldes innerhalb eines gedachten Zylinders
liegt, dessen Radius r" als der sogenannte Grenzradius bezeichnet wird. Um also
den größten Teil dieser Drahtwellenenergie erfassen zu können, gibt man dem trichterförmigen
Drahtwellenerreger an seiner Öffnung einen Durchmesser in der Größe von etwa af'o,
vorzugsweise kleiner als aro. Bei einer solchen Bemessung der Trichteröffnung wird
fast der gesamte Energieanteil der ankommenden Drahtwellen aufgenommen und dem einen
Sperrtopf bildenden rohrförmigen Teil des Drahtwellenerregers 3 zugeführt. Der Energieanteil
der über den Drahtwellenerreger weiterlaufenden Drahtwelle ist so klein, daß er
nicht mehr störend wirkt. Der besondere Vorteil einer solchen Drahtwellenerregeranordnung
liegt darin, daß, um die Drahtwellen von der Hochspannungsleitung abzuführen, die
Hochspannungsleiter weder zu unterbrechen noch irgendwie durch in den Leitungszug
der Hochspannungsleitung zu schaltende Glieder zu ergänzen ist.
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Die Ankopplung eines Strahlungssystems an das Drahtwellenerregersystem
erfolgt zweckmäßigerweise derart, daß man in der Entfernung einer Viertelwellenlänge,
vom Kurzschlußende aus gerechnet, an :diesem rohrförmigen Teil beispielsweise einen
Hornstrahler anordnet, der, wie aus der Figur ersichtlich, aus dem trichterförmigen
Teil 5 und dem mit dem Hochspannungsleiter verbundenen Leiterteil 6 besteht. Dieser
als Antenne wirkende Teil ist, wie bereits angegeben, in der Entfernung einer Viertelwellenlänge
vom Kurzschlußpunkt innerhalb des rohrförmigen Teiles des Drahtwellenerregers verbunden.
Dieser Hornstrahler strahlt die auf der als Drahtwellenleiter dienenden "Hochspannungsleitung
ankommende Drahtwelle in eine bevorzugte Richtung bzw. empfängt die ihm zugesandte
elektromagnetische Welle, um sie dann über den Drahtwellenerreger auf der Hochspannungsleitung
weiterzuführen.
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Den Hornstrahlern 5 sind die an die Zwischenverstärkeranordnung angeschlossenen
und auf die Hornstrahler 5 gerichteten Hornstrahler 7 zugeordnet, die zur Erregung
der Wellen beispielsweise den Teil 8 enthalten, der in der Fortsetzung den Innenleiter
der Zuführungsleitung zum Zweiwegeverstärker bildet. Die Drahtwellenzwischenverstärkeranordnung
kann beispielsweise am Hochspannungsmast oder auf besonderen Querträgern unter den
Drahtwe@llenerregern oder auch am Boden neben dem Mast angeordnet sein und steht
durch die Hornstrahler, die gleichzeitig als Sende- und Empfangsorgan dienen können,
mit den zugeordneten, an der Hochspannungsleitung angebrachten Hornstrahlern durch
Strahlung in Verbindung. Werden für die beiden Richtungen der Nachrichtenübertragung
verschiedene Frequenzbereiche verwendet, dann kann die Aufteilung der Frequenzgebiete
in den Zweiwegen erstärkern durch einfache elektrische Weichen vorgenommen werden.
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Hochspannungsleitungen werden meist an Isolatorketten befestigt, die
an Querträgern der Hochspannungsmaste hängen. Es ist bei einer solchen Befestigung
der Leitungen nicht vermeidbar, daß die Hochspannungsleitungen auch an den Aufhängestellen
durch seitlichen Wind starken Auslenkungen unterworfen sind, die eine Drehung der
Leiterachse bewirken. Die in der Nähe solcher Aufhängepunkte angeordneten Drahtwellenerreger
und damit die an diesen angebrachten Sende- bzw. Empfangsorgane, z. B. Hornstrahler,
machen sowohl die seitliche -Auslenkung als auch die Drehung um die Leitungsachse
mit, so daß der Fall eintreten kann, daß die Strahlung der Hornstrahler die Sende-
bzw. Empfangsorgane der Zwischenverstärkerstationbzw. der Anfangs- oder Endstelle
nur mehr teilweise trifft. Es ist daher vorteilhaft, die Drahtwellenzwischenverstärkerstation,
insbesondere aber die Empfangs- bzw. Sendeorgane dieser Station oder der Anfangs-
oder Endstation so mit der Isolatoraufhängung od. dgl. oder mit einem mit dieser
starr verbundenen Rahmen od. dgl. zu verbinden, daß auch bei Auslenkung des Leitungsdrahtes
die Achsen der Sende- bzw. Empfangsorgane der Leitung, z. B. der Hornstrahler, ihre
relative Lage in bezug auf die Achsen der Sende- bzw. Empfangsorgane der Anfangs-,
End- oder Zwischenstation nicht ändern.
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Wie bereits erwähnt, geht ein geringer Anteil der ankommenden Drahtwellen
über den Drahtwellenerreger hinweg und überlagert sich nach dem nächsten Drahtwellenerreger
den in dem Zwischenverstärker verstärkten und durch diesen Drahtwellenerreger wieder
auf der Leitung neu angeregten Drahtwellen. Diese Überlagerung kann abschwächend
wirken, wenn die Frequenzlage der neu angeregten Drahtwelle die gleiche ist, wie
die der ankommenden und die Phasenlage zwischen beiden Drahtwellen voneinander verschieden
ist. Es ist daher zweckmäßig, den Abstand zwischen der Hochspannungsleitung und
dem Drahtwellenzwischenverstärker bzw. den diesem zugeordneten Hornstrahlern veränderbar
zu machen, so daß die günstigste Phasenlage zwischen der ankommenden und abgehenden
Drahtwelle gleicher Frequenz eingestellt werden kann. Gegebenenfalls kann durch
eine günstige Wahl der Entfernung eine Rückkopplung und damit die Gefahr der Selbsterregung
der Zwischenverstärker vermieden werden. Vorteilhafterweise kann in Drahtwellenzwischenverstärkern
in an sich bekannter Weise ein Gruppentausch vorgenommen werden, dadurch, daß man
die den Übertragungsrichtungen zugeordneten Frequenzbänder gegeneinander vertauscht.
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Selbsterregung kann auch infolge der Streuung der verhältnismäßig
nahe beisammenliegenden Hornstrahler entstehen. Diese Streuung ist jedoch unschädlich,
wenn man die der Drahtwellenzwischenverstärkerstation zugeordneten Hornstrahler
7 so nahe als möglich an die zum Drahtwellenerreger gehörigen Hornstrahler 5 heranbringt.
So kann man
beispielsweise die zum Drahtwellenerreger gehörigen
Hornstrahler 5 zum Mast gerichtet in waagerechter Lage und die zum Drahtwellenzwschenverstärker
gehörigen Hornstrahler 7 in der Nähe des Mastes auf gleicher Höhe wie die Hochspannungsleitung
anordnen. Besonders vorteilhaft ist es aber, bei Zwischenverstärkerstationen die
Achsen der Sende- und Empfangsorgane, z. B. der Hornstrahler 5, um etwa go° gegeneinander
verdreht anzubringen, z. B. derart, daß, der eine Strahler nach oben oder unten
und der andere zum Mast gerichtet ist.
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Die bei sehr hohen Spannungen, insbesondere an Kanten der spannungsführenden
Teile bestehende Sprühgefahr läßt es vorteilhaft erscheinen, alle Kanten des Drahtwellenerregers
großflächig auszuführen bzw. rund auszubilden. Die Figur zeigt beispielsweise eine
Ausbildung der Drahtwellenerreger, bei der möglichst jede Kantenbildung vermieden
ist.
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Die Ankopplung der Anfangs-, End- oder Zwischenstation an die Hochspannungsleitung
kann auch über dielektrische Voll- oder Hohlleiter erfolgen. Die Energieverluste
an den Kopplungsstellen können damit verringert werden. Ein solcher dielektrischer
Leiter kann etwa an der Stelle, an der ein Triichterstrahler an den Drahtwellenerreger
angebaut ist, in geeigneter Weise an den Drahtwelleneireger angekoppelt werden.
Beispielsweise kann man den dielektrischen Leiter durch einen trichterförmigen Erreger
speisen oder bei dielektrischen Hohlleitern bekannte Kopplungsanordnungen zwischen
koaxialen Leitungen und Hohlleitungen verwenden.
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Zweckmäßig ist die Abdeckung der Öffnungen der Drahtwellenerregeranordnung
und der Trichterstrahler mit Isolierstoffscheiben, wodurch Witterungseinflüsse auf
die Drahtwellenerreger weitestgehend ausgeschlossen werden. Ferner ist es vorteilhaft,
die Drahtwellenerregeranordnung in Form zweier Halbteile herzustellen, die beim
Aufsetzen auf die bereits verlegte Hochspannungsleitung um diese gelegt und dann
befestigt werden kann. Um schließlich noch eine gute Verbindung zwischen dem Kurzschlußende
des rohrförmigen Stückes und der Hochspannungsleitung herstellen zu können, ist
es empfehlenswert, an der Klemmstelle Zwischenlagen aus Weichmetall zu verwenden
oder das Erregersystem an der Befestigungsstelle mit der Hochspannungsleitung zu
verlöten.
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Im Ausführungsbeispiel ist .eine Drahtwellenzwischenverstärkerstation.
- angegeben, welche in beiden Verkehrsrichtungen als Sende- und Empfangsstation
wirkt. Es ist dabei vorteilhaft, die Verstärkeranordnung derart aus zwei Halbsätzen
aufzubauen, däß jeder Halbsatz für sich bei einer Anfangs- oder Endstation benutzt
werden kann.
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Im- Zuge der Hochspannungsleitungen liegen häufig Schaltstellen, z.
B. Trennschalter oder Spannungswandlerstationen, die ein Weiterfließen von Drahtwellen
behindern können. Ähnlich wie bei der Elektrizitätswerkstelefonie sind an solchen
Stellen Umgehune@wege vorzusehen.- Ist die an diesen Stellen vorhandene Drahtwellenenergie
groß genug, so ist es ausreichend, an diesen Stellen lediglich Drahtwellenüberbrückungseinrichtungen
anzubringen. Eine solche Überbrückungseinrichtung ist dann ähnlich wie eine Drahtwellenzwischenverstärkerstation,
jedoch ohne Verstärkereinrichtung aufgebaut. Die hochfrequente Energie kann von
der einen Seite der Trennstelle vom Drahtwellenerregersystem abgeführt und über
Hochfrequenzleiter, z. B. Hohlleiber ad. dgl., ohne Zwischenverstärker zu dem Draht-,vellenerregersystem
der anderen Seite der Trennstelle geführt werden.
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Hochspannungsleitungen, die neu verlegt werden, können mit einer Isolierschicht
überzogen werden, wodurch Oberflächenveränderungen an den Leitungen vermieden werden.
Damit bleiben die einmal vorhandenen Übertragungseigenschaften erhalten. Bei bereits
bestehenden Hochspannungsleitungen können jedoch die sich im Laufe der Zeit ändernden
Übertragungseigenschaften jederzeit ausgeglichen werden, z. B. durch Einpegelung
der Verstärkung in den Zwischenverstärkern. Einen weiteren Einfluß auf die Übertragung
der Drahtwellen kann z. ß. die Vereisung der Hochspannungsleitung mit sich bringen.
Einer Vereisung der Leitung kann man jedoch durch Heizen nach bekannten Verfahren
begegnen.
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Zur Übertragung von Drahtwellen kann auch das Blitzschutzseil an Hochspannungsleitungen
verwendet werden. Es ergeben sich dabei. wesentliche Vereinfachungen an den Ankopplungsstellen,
da diese Seile keine Spannung führen; diese Leitungen sind dann aber so an den Hochspannungsmasten
zu befestigen, daß die Drahtwellen an den Befestigungspunkten nicht zu stark gedämpft
werden.
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Wie bereits angegeben, erfolgt die Übertragung der elektromagnetischen
Energie um den Leiter herum konzentriert: Es wurde dabei der Grenzradius ro eingeführt,
der den Radius eines gedachten Zylinders angibt, innerhalb dessen sich im wesentlichen
die elektromagnetische Energie fortpflanzt. Außerhalb dieses Zylinders nimmt der
Anteil der zu übertragenden Energie sehr stark ab. Ein praktisch vorkommender Wert
für den Grenzradius ist beispielsweise r" = 5o cm, innerhalb dessen rund 95 °/a
der übertragenen Energie geführt wird. Der Abstand zwischen den verschiedenen Leitern
eines Dreileitersystems ist jedoch sehr groß, beispielsweise 4 m. Da nun das elektromagnetische
Feld in einer Entfernung von 5o cm vom Leiter bereits sehr schwach ist, ist in einer
Entfernung von einigen r" das Feld vernachlässigbar klein, d. h. ein anderer, z.
B. zum Dreileitersystem der Hochspannungsleitung gehöriger Leiter wird durch den
eine Drahtwelle führenden Leiter nicht mehr beeinflüßt. Es ist somit ohne weiteres
möglich, mehrere Hochspannungsleitungen im Parallelbetrieb mehrerer Systeme zu verwenden.
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Für die Übertragung von Drahtwellen auf Drahtwellenleitern eignen
sich vor allen Dingen kurze und sehr kurze elektrische Wellen, die sich für beliebige
Nachrichtenübertragungsverfahren ausnutzen lassen. Beispielsweise könnte man das
Einseitenbandverfahren verwenden, bei dem sich mit
io % relativer
Bandbreite bei einer als Drahtwelle fortzuleitenden elektrischen Energie mit einer
Frequenz von 300 MHz etwa io MHz Bandbreite je Richtung ergeben, wenn man
io MHz Frequenzabstand zwischen den beiden Frequenzbändern der beiden Verkehrsrichtungen
vorsieht. Dieser Frequenzabstand ermöglicht eine gute Trennung der Frequenzen der
beiden Verkehrsrichtungen in den elektrischen Weichen der Drähtwellenzwischenverstärker.
Es können demnach ohne weiteres etwa 2000 Nachrichtenkanäle gewonnen werden. Selbst
wenn aus besonderen Gründen Frequenzmodulation für die Nachrichtenübertragung verwendet
werden würde, könnten immer noch einige hundert Nachrichtenkanäle bestehen.
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In bekannter Weise können die einzelnen niederfrequenten Kanäle durch
mehrstufige Modulation in einem geeigneten Frequenzgebiet aneinandergereilit werden,
z. B. durch Bildung von Modulationsstufe zu Modulationsstufe größer werdender Frequenzbandgruppen,
aus denen heraus dann durch weitere Modulation die Umsetzung in den Übertragungsbereich
erfolgt. Mit Vorteil können beispielsweise auch Frequenzmodulationsverfahren mit
vorheriger Einseitenbandbündelung, Pulsphasenmodulationsverfahren od. dgl. benutzt
werden.