DE874926C - Empfangsverfahren fuer Schwingungen veraenderlicher Frequenz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Empfangsverfahren für Schwingungen veränderlicher Frequenz; sie stellt ein Verfahren zur Frequenzdemodulation dar, das eine praktisch lineare Arbeitskennlinie ergibt und zum Empfang einer frequenzmodulierten Trägerwelle vorzüglich geeignet ist.

Bekanntlich kann ein großer Teil der Empfangsstörungen, besonders beim Kurzwellenempfang, vermieden werden durch die Anwendung der Frequenzmodulation, zum Unterschied von Amplitudenmodulation. Für einen guten Empfang eines frequenzmodulierten Trägers ist ein Detektor erforderlich, der eine praktisch genügend lineare Frequenzcharakteristik hat. Ferner ist es vom Emp-

findlichkeitsstandpunkt aus erwünscht, daß die Demodulationskennlinie möglichst steil verläuft. Ein Detektor, der diese Eigenschaften besitzt, ist gleichfalls in Schaltungen zur automatischen Frequenzregelung vorzüglich brauchbar, bei welchen eine von der Verstimmung abhängige Regelspannung erzeugt wird, die entsprechend der Frequenzänderung sich schnell und gleichmäßig ändern soll.

Eine Demodulatorart, welche bei Schaltungen zur automatischen Frequenzregelung früher verwendet worden ist, welche jedoch für die Demodulation einer frequenzmodulierten Schwingung unbefriedigend arbeitet, verwendet den Grundgedanken der getrennten Gleichrichtung der Summe

und der Differenz der Wechselspannungen, welche an dem Primär- und Sekundärteil eines auf beiden Seiten abgestimmten Transformators vorhanden sind; von den so erhaltenen gleichgerichteten Spannungen wird dann die Differenz gebildet, welche nach Größe und Polarität den Frequenzänderungen entspricht. Ein Nachteil dieser Anordnung bestand darin,- daß die Ausgangsleistung jedes Gleichrichters sich nur allmählich bis zum Minimalwert ίο bei Frequenzen' außerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches veränderte. Daher veränderte sich auch die Differenz der gleichgerichteten Spannungen als Ausgangsspannung des Demodulators nur sehr allmählich in Abhängigkeit von der Frequenz, und zwar nach einer nicht linearen Kennlinie.

Bei der Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ergibt sich eine Arbeitskennlinie, bei der die Ausgangsleistung innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches im wesentlichen linear von der Frequenz abhängt, und deren Steilheit gegenüber den bekannten Verfahren verbessert ist. Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden aus den Empfangsschwingungen eine (erste) innerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches der Phasenlage nach mit der Frequenz nicht wesentlich veränderliche und mindestens eine (zweite) der Phasenlage nach mit der Frequenz veränderliche Schwingung erzeugt, welche bei einer Frequenz, vorzugsweise bei einer Grenzfrequenz des Arbeitsfrequenzbereiches, einander nach Phase und Amplitude praktisch gleich sind; die vektorielle Differenz bzw. Differenzen dieser Schwingungen wird bzw. werden dann gleichgerichtet.

Eine weitere Verbesserung läßt sich dadurch erzielen, daß aus den Empfangsschwingungen zwei innerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches der Phasenlage nach mit der Frequenz nicht wesentlich veränderliche Schwingungen erzeugt" werden, welche gegenüber dem Vektor der veränderlichen (zweiten) Schwingung bei der mittleren Frequenz des Arbeitsfrequenzbereiches um im wesentlichen gleich große, aber entgegengesetzte, vorzugsweise 45'°' be- ' tragende Phasenwinkel verschoben sind und bei je einer Frequenz des Arbeitsfrequenzbereiches der genannten zweiten Schwingung praktisch gleich sind; die Differenzen aus je einer unveränderlichen und der veränderlichen zweiten Schwingung werden dann gleichgerichtet, und aus den gleichgerichteten Spannungen wird wieder die Differenzspannung gebildet, die das Empfangsergebnis darstellt.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine bestimmte Schaltung, die zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist. Diese Schaltung enthält als wesentliche Teile einen vorzugsweise auf die Mitte des Arbeitsfrequenzbereiches abgestimmten Resonanzkreis als Mittel zur Erzeugung der in der Phasenlage veränderlichen Schwingung und zwei mit dem Schaltungseingang gekoppelte Impedanzzweige zur Erzeugung der beiden der Phasenlage nach nicht wesentlich veränderlichen Schwingungen; der eine der beiden Impedanzzweige enthält die Reihenschaltung einer Kapazität mit einem Widerstand, während der andere die Reihenschaltung einer Induktivität mit einem Widerstand enthält. Die beiden Schwingungen werden vorteilhafterweise an den genannten Widerständen abgegriffen. Es sei darauf hingewiesen, daß natürlich außer der Veränderung der Phasenlage bei der einen der miteinander kombinierten Schwingungen auch eine Veränderung der Amplitude in Abhängigkeit von der Frequenz bei einer oder mehreren der kombinierten Schwingungen vorhanden sein kann. Besonders günstig kann eine solche nebenhergehende Veränderung der Amplitude dann wirken, wenn dadurch die Kennlinie, welche die Veränderung des Demodulationsergebnisses in Abhängigkeit von der Frequenz darstellt, noch steiler gestaltet wird.

In Fig. ι ist die Schaltung eines Superheterodyneempf angers gebräuchlicher Art dargestellt, in welchem eine Schaltung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung nicht für die Demodulation verwendet ist. Der Empfänger enthält den Hochfrequenzverstärker 10, dessen Eingangskreis mit der Antenne 11 und der Erde 12 verbunden ist und dessen Ausgangskreis mit der Frequenzwandlerstufe 13 gekoppelt ist. Auf den Frequenzwandler 13 folgen in der genannten Reihenfolge der Zwischenfrequenzverstärker 14, der Demodulator und Regelspannungserzeuger 15, der Niederfrequenzverstärker 16 und der Lautsprecher 17. Die von der Demodulators!ufe 15 erzeugte Regelspannung zur automatischen Verstärkungsregelung wird dem Gitter einer oder mehrerer Röhren des Hochfrequenzverstärkers 10, der Frequenzwandlerstufe 13 und des Zwischenfrequenzverstärkers 14 zugeführt, um die Eingangsamplitude des Demodulators 15 für einen weiten Bereich der Empfangsamplitude nahezu konstant zu halten. Der Oszillator 18 ist in üblicher Weise mit der Frequenzwandkrstufe 13 gekoppelt; die von diesem Oszillator erzeugte Hilfsfrequenz wird durch einen Frequenzregelkreis 19 in Abhängigkeit von der Größe einer Regelspannung beeinflußt, die von dem Frequenzdemodulator 20 erzeugt wird.

Die gewünschten Empfangszeichen werden in bekannter Weise durch den Hochfrequenzverstärker 10 selektiv verstärkt, im Frequenzwandler 13- in Zwischenf requenzschwingungen umgewandelt, durch den Zwischenfrequenzverstärker 14 verstärkt und in der Detektorstufe 15 demoduliert, wodurch die Modulationsschwingungen und eine Regelspannung zur automatischen Verstärkungsregelung von den Trägerschwingungen abgeleitet werden. Die Niederfrequenzschwingungen werden im Niederfrequenzverstärker 16 verstärkt und durch den Lautsprecher 17 wiedergegeben. Die automatische Verstärkungsregelung dient in bekannter^ Weise dazu, den Leitungspegel des Empfängers bei Schwankungen der Eingangsamplitude praktisch konstant zu halten.

Mit dem Zwischenfrequenzverstärker 14 ist die Frequenzdemodulationsschaltung 20 gekoppelt, welche nach der Erfindung aufgebaut ist. In diesem Teil der Schaltung wird eine Vorspannung erzeugt, die dem Frequenzregler 19 zugeführt wird, um die von dem Oszillator 18 erzeugte Frequenz zu regeln.

Der Demodulatorteil 20 enthält die Entladungsröhre 9, deren Eingangselektroden mit dem Zwischenfrequenzteil des Empfängers verbunden sind und deren Ausgangskreis die Induktivität 21 und die aus zwei Impedanzarmen gebildete Brücke 22 in Reihe enthält. Innerhalb der Brücke sind die beiden Impedanzarme einander parallel geschaltet; der eine Arm enthält in Reihe die Induktivität 23 und den Widerstand 24; der andere Arm enthält in Reihenschaltung den Kondensator 25 und den Widerstand 26. Der Sekundärkreis 27, 28, der auf die mittlere Zwischenfrequenz abgestimmt ist und dessen Eigenwiderstand durch den Parallelwiderstand 2J symbolisch angedeutet wird, ist mit der Induktivität 21 fest gekoppelt. Durch den Gleichrichter 29 wird die Differenz zweier Schwingungsspannungen gleichgerichtet, und zwar der Spannung am Widerstand 24 und der Spannung am abgestimmten Sekundärkreis 27, 28. In analoger Weise wird durch den Gleichrichter 30 die Differenz der beiden Schwingungsspannungen gleichgerichtet, die am Wilderstand 26 und am Sekundärkreis 27, 28 auftreten. Für die Gleichrichter 29 und 30 sind die dazugehörigen Belastungswiderstände 31 und 32 vorgesehen; die Verbindung zwischen den Widerständen 31 und 32 ist für den Wechselstrom über den Kondensator 33 geerdet. Die Differenz der Ausgangsspannungen der Gleichrichter 29 und 30 wird über den Widerstand 34 den Eingangsklemmen des Frequenzreglers 19 zugeführt, um die Frequenz des Oszillators 18 in gebräuchlicher Weise zu regeln.

Der Kondensator 35, welcher in der Zeichnung durch unterbrochene Linien angedeutet ist, stellt die Ausgangseigenkapazität der Röhre 9 dar. Zur Neutralisierung dieser Kapazität ist die Reihenschaltung des Kondensators 37 und der Induktivität 36 zwischen dem unteren Ende der Induktivität 21 und Erde eingeschaltet. Außerdem ist parrJlel zur Brückenanordnung 22 die Induktivität 38 geschaltet, um die Eigenkapazität der Impedanzarme, angedeutet durch den Kondensator 39, zu kompensieren.

An Hand der in Fig. 2 dargestellten Kurven kann die Wirkungsweise der oben beschriebenen Schaltung leicht verstanden werden. Man erkennt aus dem Schaltbild, daß die Ausgangsspannung der Röhre 9 an der Reihenschaltung der Induktivität 21 und der Brücke 22 auftritt. Der Strom der Induktivität 21 wird in zwei Teile aufgeteilt, von welchen der eine über die Induktivität 23 und den Widerstand 24 und über die Spannungsquelle der Röhre 9 zur Erde fließt, während der andere Teil über den Kondensator 25 und den Widerstand 26 zur Erde fließt. In Fig·. 2 stellt der Vektor 40 die Spannung am Sekundärkreis 27, 28 bei der mittleren Resonanzfrequenz, d. h. bei der normalen Zwischenfrequenz des Empfängers dar; der Kreis 41 stellt den geometrischen Ort für die Spitze des Vektors 40 dar, wenn die Frequenz oberhalb und unterhalb der mittleren Resonanzfrequenz des Kreises verändert wird und der Vektor infolgedessen um seinen Fußpunkt gedreht wird. Die Vektoren 42 und 43 stellen die Spannungen an den Widerständen 26 und 24 dar, wobei vorausgesetzt wird, daß die Impedanzelemente der Brücke 22 so bemessen sind, daß die Phasenwinkel dieser Vektoren sich nicht wesentlich mit der Frequenz verändern. Außerdem sind die beiden Zweige der Brücke 22 so bemessen, daß bei der mittleren Resonanzfrequenz die Vektoren 42 und 43 um 45 Grad zu beiden Seiten des Vektors 40 verschoben sind. Die Kurve 44 der Fig. 2 stellt die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Gleichrichters 29 von der Frequenz dar, welche der gleichgerichteten Differenz des Vektors 43 und des Vektors 40 entspricht, wenn der Vektor 40 sich innerhalb des Kreises 41 herumbewegt. Ebenso stellt die Kurve 45 die Abhängigkeit der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Gleichrichters 30 von der Frequenz dar, d. h. die gleichgerichtete Differenz der Spannungsvektoren 40 und 42, wenn der Vektor 40 sich in der gleichen Weise bewegt. Um einen Punkt der Kurven 44 und 45 bei einer beliebigen Frequenz / zu erhalten, sei der Vektor 40' angenommen als die Stellung des Vektors 40, welche dieser Frequenz entspricht. Die Differenz zwischen den Vektoren 42 und 40' wird durch den punktiert gezeichneten. Vektor dargestellt; diese Differenz ist der Ordinate der Kurve 45 bei der Frequenz /₂ proportional. In ähnlicher Weise wird die Differenz zwischen den Vektoren 43 und 40' durch den Vektor 46' dargestellt, welcher der Ordinate der Kurve 44 bei der Frequenz f₁ proportional ist. Aus den Ordinaten der Kurven 44 und 45 wird dann die Differenz gebildet, die den Ordinatenwerten der Kurve 47 in Fig. 2 entspricht, welche gleichzeitig die Ausgangscharakteristik des Demodulators 20 darstellt. Man erkennt, daß bei der Kreisbewegung des Vektors 40 die Spannung am Gleichrichter 29 im gleichen Augenblick Null ist, wenn die Spannung am Gleichrichter 30 ein Maximum aufweist und umgekehrt. Daher biegt die Kurve 47 scharf um, wenn eine Frequenz erreicht wird, bei welcher eine der Gleichrichterspannungen Null ist, während die andere ein Maximum hat. Außerdem ist der Teil der Kurve zwischen diesen beiden Umkehrpunkten, welcher dem normalen Arbeitsfrequenzbereich entspricht, im wesentlichen eine gerade Linie.

Bei- einem erprobten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde es für zweckmäßig befunden, die wichtigsten Schaltungselemente folgendermaßen zu dimensionieren: Mittlere Resonanzfrequenz des Kreises 2J, 28 = 112 kHz, Widerstand 27' = Widerstand 24 = Widerstand 26= 10 000 Ohm, Induktivität 231= i4mH, Kondensator 25 = 140'pF, gegenseitige Induktivität zwischen Induktivitäten 21 und 28 = 0,25 mH, Induktivität 28 = 0,25 mH, Kondensator 27 = 8000 μμΡ, Induktivität 38 hat einen Wert von der Größenordnung von 50 mH.

Eine andere Ausführungsform einer Schaltung zur Benutzung der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Figur zeigt wie Fig. 1 schematisch die Anordnung eines Superheterodynempfängers für frequenzmodulierte Schwingungen, in welchem

die Erfindung· bei dem zweiten Detektor verwendet ist. Der Empfänger enthält den Hochfrequenzverstärker 48, dessen Eingangskreis mit der Antenne 49 und der Erde 50 verbunden ist und dessen Ausgangskreis mit der Frequenzwandlerstufe 51 gekoppelt ist. Auf die Frequenzwandlerstufe 51 folgen in der genannten Reihenfolge der Zwischenfrequenzverstärker 52, der Demodulator 53, der Niederfrequenzverstärker 54 und der Lautsprecher

ίο 55. Zur automatischen Verstärkungsregelung ist der besondere Regelspannungserzeuger 56 mit dem Zwischenfrequenzteil des Empfängers gekoppelt. Die erzeugte Regelspannung wird den Röhren des Hochfrequenzverstärkers 48, der Transponierungsstufe 51 und des Zwischenfrequenzverstärkers 52 zugeführt. Die Wirkungsweise der Schaltung ist als Ganzes genommen der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 vollständig gleich mit der Ausnahme;, daß jetzt ein frequenzmodulierter Zwischenträger angenommen ist und daß die Regelspannung zur Verstärkungsregelung von einem besonderen Gerät 56 hergeleitet wird.

Die Frequenzdemodulatorschaltung 53 ist der Schaltung 20 nach Fig. 1 in vieler Hinsicht gleich; einander entsprechende Teile haben daher die gleichen Bezugszeichen. Der Unterschied des Detektorkreises 53 vom Detektor 20 besteht hauptsächlich darin, daß die Impedanzbrücke 22¹ zur Induktivität 21 im Ausgangskreis der Röhre 9 parallel geschaltet ist anstatt in Serie wie bei Fig. 1, wobei die Mittelanzapfung der Induktivität 28 mit der Verbindung zwischen den Widerständen 31 und 32 verbunden ist. Auch soll bei dieser Ausführungsform die Induktivität 28 nur lose mit der Induk- tivität 21 gekoppelt sein. Die Abhängigkeit der einzelnen wirksamen Spannungen in der Schaltung 53 von der Frequenz ist in Fig. 4 dargestellt. Der Vektor 57 stellt die Spannung an der Primärinduktivität 21 dar und sei als Bezugsvektor angenommen; die Vektoren 58 und 59 entsprechen den Spannungen, welche an den Widerständen 24 und 26 der Brücke 22- erscheinen. Die Spannung der unteren Hälfte der Sekundärinduktivität 28 wird durch den Vektor 60 dargestellt, für dessen Spitze der Kreis 61 als geometrischer Ort gültig ist, während die Spannung an der oberen Hälfte der Sekundärinduktivität 28 durch den Vektor 62 mit dem geometrischen Ort 63 dargestellt wird. Es ergeben sich in der gleichen Weise, wie es zu Fig. 2 bereits beschrieben wurde, die Kurven 44', 45' und 47'; diese sind mit den entsprechenden Figuren der Fig. 2 identisch. Es wird angenommen, daß die Wirkungsweise des Demodulators 53 und der Fig. 3 ohne weiteres klar ist, nachdem die einzelnen Vorgänge an Hand von Fig. 1 besprochen worden sind. Man erkennt ohne weiteres, daß man zum Aufbau einer Frequemzdemodulationsschaltung für die Erfindung auch nur einen einzigen Gleichrichter verwenden kann, wenn auch unter Umständen die Verwendung 'einer symmetrischen Schaltung nach den beiden Ausführungsbeispielen vorteilhafter sein kann. Bei Verwendung nur eines einzigen Gleichrichters entsteht als Arbeitskennlinie nur eine der beiden Kurven 44 und 45; man sieht, bei Betrachtung der Kurve 45 der Fig. 2, daß der Teil der Kurve zwischen der Frequenz f_t und der Frequenz f_t bis abwärts zu dem Punkt auf der Nullinie praktisch eine Gerade ist.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I. Empfangsverfahren für Schwingungen veränderlicher Frequenz zur Erzeugung einer in ihrer Größe \Όη der Empfangsfrequenz abhängigen Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Empfangsschwingungen eine innerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches der Phasenlage nach mit der Frequenz schnell veränderliche und zwei in dem gleichen Frequenzbereich der Phasenlage nach im Vergleich zu der erstgenannten nicht wesentlich veränderliche Schwingungsspannungen erzeugt werden, welche gegenüber dem Vektor der veränderlichen Schwingung bei der mittleren Frequenz des Arbeitsfrequenzbereiches um im wesentlichen gleich große, aber entgegengesetzte, Vorzugsweise 45° betragende Phasenwinkel verschoben sind und bei je einer Frequenz des Arbeitsfrequenzbereiches der genannten veränderlichen Schwingungsspannung praktisch nach Phase und Amplitude gleich sind und daß die vektoriellen Differenzen aus je einer unveränderlichen und mindestens einem Teil der veränderlichen Schwingungsspannung gleichgerichtet werden und daß aus den gleichgerichteten Spannungen die Differenzspannung als Empfangsergebnis gebildet wird.
2. 2. Schaltung zur Ausübung eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Schaltungseingang gekoppelter, vorzugsweise auf die Mitte des Arbeitsfrequenzbereiches abgestimmter Resonanzkreis als Mittel zur Erzeugung der in der Phasenlage veränderlichen Schwingung vorgesehen ist.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Erzeugung der beiden der Phasenlage nach nicht wesentlich veränderlichen Schwingungen zwei mit dem Schaltungseingang gekoppelte Impedanzzweige vorgesehen sind, von welchen der eine die Reihenschaltung einer Kapazität mit einem Widerstand, der andere die Reihenschaltung einer Induktivität mit einem Widerstand enthält, wobei die beiden Schwingungen vorzugsweise an den genannten Widerständen abgegriffen werden.
4. 4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Impedanzzweige einander nach Art einer Brückenschaltung parallel geschaltet sind, so daß die Kopplungsverbindungen zum Schaltungseingang an denjenigen beiden Eckpunkten der Brücke angeschlossen sind, zwischen denen die genannten Impedanzzweige liegen, und die beiden der Phasenlage nach nicht wesentlich veränderlichen Schwingungen an den beiden anderen Eckpunkten abgenommen werden, d. h. zwischen

   der Kapazität und dem Widerstand in dem einen Zweig bzw. zwischen der Induktivität und dem Widerstand in dem anderen Zweig.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Brückenschaltung der beiden Impedanzzweige eine Induktivität geschaltet ist, welche mit der Induktivität des abgestimmten Resonanzkreises gekoppelt ist.
6. 6. Schaltung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Brückenschaltung der beiden Impedanzzweige eine Induktivität geschaltet ist, welche mit der Induktivität des abgestimmten Resonanzkreises gekoppelt ist.
7. 7. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Impedanzelemente vorgesehen sind, um den Einfluß unerwünschter Blindwiderstände der Schaltung, beispielsweise den Einfluß von Schaltungskapazitäten, auf die abgenommenen Schwingungsspannungen zu kompensieren.

   Angezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschriften Nr. 648196, 490588; USA.-Patentschrift Nr. 2 087 429.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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