DE882424C - Anordnung zur Konstanthaltung der mittleren Frequenz eines Oszillators fuer frequenzmodulierte Traegerwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen zur Konstanthaltung der mittleren Frequenz eines Oszillators für frequenzmodulierte Trägerwellen.

Ein Verfahren zur Ausführung der Frequenzmo-S dulation einer Trägerwelle, das sich als zweckmäßig und wirksam erwiesen hat, besteht darin, daß die Zeichenströme zur Änderung der Abstimmung des die Frequenz bestimmenden Stromkreises in einem Vakuumschwingrohr verwendet werden. Dieses Verfahren gestattet Frequenzänderungen von großem Frequenzhub, die zu den ohne Schwierigkeit erhältlichen Zeichenspannungen in linearer Beziehung stehen; es besteht aber der Nachteil, daß Oszillatoren, die durch die Zeichenströme moduliert werden können, um weite Frequenzausschläge hervorzurufen, wahrscheinlich auch anderen Einflüssen gegenüber empfindlich sind. Es ist daher ein Abwandern der mittleren Frequenz der Schwingung zu erwarten, und es ist deshalb erforderlich, eine Hilf sregeleinric'htung vorzusehen, um die Trägerwellen innerhalb bestimmter Frequenzgrenzen zu halten. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Konstanthaltung der mittleren Frequenz eines Oszillators für frequenzmodulierte Trägerwellen zeichnet sich dadurch aus, daß durch Frequenzteilung von der frequenzmodulierten Trägerwelle eine subharmonische Schwingung von solch niedrigem Wert abgeleitet wird, daß die der verminderten Frequenzmodulation der subharmonischen Schwingung entsprechenden Phasenoszillationen kleiner sind als ein

Radiant; danach wird die subharmonische Schwingung mit Schwingungen einer feststehenden Frequenz gemischt, um eine Mehrzahl in der Phase gegeneinander verschobener Schwingungsströme von der Differenzfrequenz zu bilden; die Schwingungsfrequenz wird dazu benutzt, um ein magnetisches Feld zu erzeugen,welches bei Ansteigen bzw. Abfallen der mittleren Frequenz der modulierten subharmonischen Schwingung über bzw. unter die feststehende Frequenz in der einen oder anderen Richtung rotiert und die mittlere Frequenz des Trägerwellenoszillators zwecks Verringerung der Frequenz der Schwingungsströme steuert; dabei wird der durch die Modulation bedingte Einfluß von Geschwindigkeitsschwankungen des rotierenden Feldes auf die Frequenzsteuerung mit Hilfe mechanischer Mittel im wesentlichen unterdrückt.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird die Anordnung dahingehend ergänzt, daß das erzeugte magnetische Feld einen Anker, welcher die Stellung beweglicher Kondensatoren verändert, oder das Feld einer Wirbelstrombremse steuert, um den Einfluß irgendwelcher restlicher und unerwünschter Frequenzänderungen in der Schwebungsfrequenzschwingung zu unterbinden.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden; in der Zeichnung zeigt

Fig. ι ein Schema der Anordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 das Schaltungsschema einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der mechanischen Steuereinrichtung..

In Fig. ι bedeutet 10 einen Trägerwellenerzeuger, der vorzugsweise aus einem Vakuumschwingrohr besteht, dessen Frequenz durch einen abgestimmten Kreis festgelegt wird. Eine Zeichenquelle 11 liefert Telefonzeichenströme für einen ' 40 Modulator 12, mit welchem die Schwingungsfrequenz des Generators 10 entsprechend den Zeichen verändert wird.

Das vollständige Modulationssystem umfaßt den Oszillator 10, den Modulator 12 und einen Phasenschieber 13, welcher für den Modulator eine Spannung liefert, die in Quadratur zu der Spannung an dem abgestimmten Kreis des Oszillators liegt. Die Frequenzmodulation kann in bereits bekannter -Weise durchgeführt werden.' Von dem Äusgangskreis des Oszillators werden die modulierten Ströme einem Frequenzwandler 14 und von hier einem Kraftverstärker 15 sowie einer Antenne 16 zugeführt. Zürn Zwecke der Frequenzkonstanthaltung wird ein Teil des Ausgangsstromes des Oszillators 10 zu einem Frequenzteiler 17 geleitet, von dessen Ausgangskreis eine Subharmonische niedriger Frequenz dem Modulator 18 aufgedrückt wird. Von einem Steueroszillator 19 werden Ströme feststehender Frequenz durch einen zweiten Frequenzteiler 20 dem Modulator 18 zugeführt, von dessen Ausgangskreis der Schwebungsstrom der Differenzfrequenz einem Synchronmotor 21 zugeführt wird. Der Anker des Motors 21 ist durch ein mechanisches Filter und Getriebe 22 mit einem Frequenzkonstanthalteglied in dem Oszillator 10 mechanisch gekuppelt.

Der Modulator 18 gehört vorzugsweise zu einer Gattung, die geeignet ist, zweiphasige Schwebungsströme hervorzubringen. Der Frequenzteiler 1.7 sollte eine Unterharmonische von niedriger Größen-Ordnung erzeugen können; er kann aus einer Reihe von Filtern bestehen. Die feststehende Bezugsfrequenz, welche auf den Modulator 18 zur Anwendung gelangt, wird gemäß Fig. 1 durch Frequenzteilung von einem Mutteroszillator höherer Frequenz abgeleitet. Diese Stufe der Frequenzteilung kann aber dort fortgelassen werden, wo eine feste Schwingung von erwünschter niedriger Frequenz verfügbar ist.

Die Wirkungsweise des Systems wird nun an Hand eines besonderen Beispiels beschrieben, das einen frequenzmodulierten Sender darstellt, der für das Arbeiten bei einer Frequenz von etwa 40 Megahertz bestimmt ist. Der Oszillator 10 erzeugt eine Trägerwelle bei einer verhältnismäßig hohen Frequenz, so daß nur ein kleiner Vervielfältigungsbetrag erforderlich ist, um die Frequenz auf die für die Ausstrahlung erforderliche Höhe zu bringen. Es sei angenommen, daß die Oszillator frequenz einen normalen Wert von 5120 Kilohertz besitzt, welcher um das Achtfache vervielfältigt wird, um eine Strahlungsfrequenz von 40 960 bzw. rund 40 000 Kilohertz zu erhalten. Die Erzeugung bei dieser verhältnismäßig großen Höhe vereinfacht die Abstimmung auf die gewünschten Harmonischen in den folgenden Stufen der Frequenzvervielfältigung und beseitigt alle Schwierigkeiten, die bei der Sendung unerwünschter Harmonischen durch das System entstehen. Die der Zeichenmodulation entsprechende Höchstschwingung der ausgestrahlten Welle sei angenommen mit 100 Kilohertz über und unter der normalen Trägerfrequenz. Dies entspricht einer

,, . , 100Kilohertz _T_., ,

Abweichung von — = 12,5 Kilohertz m

der Oszillatorfrequenz, welche mit Hilfe des Modulationsverfahrens leicht erhalten werden kann.

Die Modulation der 'Subharmonischen, die von dem Ausgangskreis des Frequenzteilers 17 stammt, sollte einen Frequenzhub besitzen, der kleiner als die niedrigste maßgebliche Frequenz der Sprech- no zeichen ist, welche mit etwa 60 Hertz angenommen werden kann. Um diesen niedrigen Grad der Modulation sicherzustellen, wird der Teiler 17 für die Entwicklung einer Subharmonischen ausgebildet, welche den iO24sten Teil der Trägerfrequenz bzw. 5000 Hertz darstellt. Dies kann durch die Verwendung von zehn in Reihe geschalteten Teilern erreicht werden, von denen jeder die Frequenz um die Hälfte herabsetzt. Für die maximale Schwingung an dem Oszillator von 12,5 Kilohertz oder 12 500 Hertz beträgt dann die Schwingung der Subharmonischen eines 1 obsten oder rund iooosten Teils

nur = 12,5 Hertz. Die Phasenänderung in

Grad ist bekanntlich

oignalfrequenz

^ _Radiant,

Nimmt man an, daß die Modulation bei der niedrigsten Sprechfrequenz von 60 Hertz durchgeführt wird, so beträgt die mit der Frequenzmodulation verbundene Phasenänderung · 57,3° oder rund

— = 12 Grad. Der Steueroszillator 19 und der

Frequenzteiler 20 sind so ausgebildet, daß sie eine feststehende Frequenz von 5000 Hertz hergeben.

Für diesen Zweck kann der Oszillator aus einem kristallgesteuerten Vakuumschwingrohr bestehen, das bei 80 Kilohertz arbeitet, während der Frequenzteiler so ausgebildet sein kann, da© er die lote Subharmonische des Steueroszillators ableitet.

Wenn die Subharmonische der modulierten Trägerwelle in Synchronismus mit der 5000 Hertzhauptschwingung mit Bezug auf ihre mittlere Frequenz bleibt, so wird der dem Motor 21 aufgedrückte Schwebungsstrom die Frequenz Null haben; aber er wird einer wechselnden Phasenverschiebung von etwa 12 Grad oder weniger unterworfen sein, die im Tonfrequenzrhythmus auftritt. Es ergibt sich hierbei keine kontinuierliche Drehung des Motors, sondern nur eine kleine schnelle Schwingung wegen der Phasenschwankungen. Diese Schwankungen werden indessen durch Trägheit und Reibung des Motors und der mit ihm verbundenen mechanischen Teile unterdrückt. Für den Fall, daß der Trägeroszillator in der Frequenz von dem bestimmten Wert etwas abwandert, so läuft der Motor 21 mit einer durch den endlichen Wert der Schwebungsf requenz bestimmten Geschwindigkeit und in einer von dem Sinn der Trägerwellenabweichung abhängigen Richtung um. Diese Drehung wird auf das Steuerglied des Oszillators übertragen, welches aus einem kleinen Drehkondensator bestehen kann, der sich in dem abgestimmten Kreis befindet, und welches eine Einregelung der Oszillatorfrequenz in dem Sinne herbeiführt, daß die Abweichung berichtigt wird.

Die Wirksamkeit der Frequenzteilung der Trägerwelle bei der Verminderung der Wirkung der Zeichenmodulationen auf das Steuersystem kann auch durch einen Vergleich der Spektren der frequenzmodulierten Trägerwelle und der subharmonischen Schwingung dargestellt werden. Die Modulation der Trägerwelle wird durch Zeichenströme aller Frequenzen in dem Bereich der Telefonzeichen hervorgerufen; in dem Falle der Sprech- oder Musikzeichen jedoch sind die Komponenten der größten Amplituden und mithin jene, welche die größten Modulationsschwankungen bewirken, im allgemeinen die Komponenten niedrigerer Frequenz in dem Bereich um 300 Hertz. Die Größe der Modulation kann daher etwa das 4ofache der Frequenz des Zeichens betragen, durch welches sie herbeigeführt wird, und im allgemeinen wird sie, im Vergleich mit der Zeichenfrequenz, sehr groß sein.

Das Wellenspektrum einer frequenzmodulierten Welle besteht, wenn die Modulationsschwingung im Vergleich mit der Modulationsgeschwindigkeit groß ist, aus einer Vielzahl von Seitenbändern bzw. Seitenfrequenzen im Falle der Modulation durch einen einfachen Ton, die symmetrisch nach beiden Seiten der normalen Trägerfrequenz ausgehen und nur durch eine Restkomponente der normalen Trägerfrequenz begleitet sind. Die Abstimmung auf die mittlere Frequenzkomponente wird unter diesen Verhältnissen augenscheinlich unausführbar. Indessen wird, wenn die Modulationsschwingung als Ergebnis der Frequenzteilung auf eine Amplitude kleiner als die niedrigste Zeichenfrequenz herabgesetzt wird, der Charakter des Spektrums in beträchtlichem Maße geändert. Es besteht dann aus einer festen mittleren Frequenzkomponente, die lediglich von zwei Seitenbandkomponenten, einer oberen und einer unteren, begleitet wird, deren Amplituden verhältnismäßig sehr klein sind. Die Vergrößerung der mittleren Frequenzkomponente macht sie leicht benutzbar für Synchronisierungszwecke, und die Herabsetzung der Seitenfrequenzkomponenten macht ihre Wirkung auf die Regelung gering und leicht unterdrückbar.

In der Fig. 2_; welche die Schaltungsanordnung im einzelnen zeigt, besteht der Trägeroszillator aus zwei Vakuumröhren 23 und 24, einem frequenzbestimmenden Stromkreis mit einer Induktanz 25, einem Paar Hauptabstimmkondensatoren 26 und 27 von gleicher Kapazität und einem Paar Drehkondensatoren 28 und 29, ebenfalls von gleicher Kapazität. Die Mitten der Abstimmkondensatoren sind miteinander verbunden und geerdet.

Die Vakuumröhren 23 und 24 sind vorzugsweise Schirmgitterpentoden, bei denen die Schirme mit Hilfe der Spannungsquelle 86 und die Anoden mit Hilfe der Spannungsquelle 84, die an den Mittelpunkt der Induktanz 25 angeschlossen sind, polarisiert sind. Der Oszillator arbeitet in Gegentaktschaltung; die Rückkopplung von den Anoden zu den Gittern wird hierbei durch die Kondensatoren 30 und 31 gebildet, welche an symmetrischen Punk- too ten der Induktanz 25 angeschlossen sind. Die Gitter der Vakuumröhren sind selbst vorgespannt durch den Widerstand 32, der in die Kathodenleitung geschaltet ist und parallel zu dem Hochfrequenz-Parallelkondensator 33 liegt. Die Hochfrequenzdrosselspulen 34 und 35 bilden Stromkreise zum Aufdrücken der in dem Widerstand 32 erzeugten Spannung auf die Gitter der Vakuumröhren. Die Drosselspule 36, die in Serie mit dem Widerstand 32 liegt, erzeugt an ihren Klemmen eine Spannung, no die den Schwankungen proportional ist, welche im Tonfrequenztakt in den Anodenströmen der Vakuumröhren auftreten. Diese Spannungsschwankungen werden in gleicher Phase und im gleichen Sinne den Gittern aufgedrückt, so daß eine negative Rückkopplung entsteht und auf diese Weise die Schwankungen vermindert werden. Hierdurch wird die Amplitudenmodulation der Schwingungen im wesentlichen ausgeschaltet.

Die Modulation: der Schwingungsfrequenz wird mit Hilfe der Steuerröhren 37 und 38 bewirkt, deren Anoden in. Gegentaktschaltung an die Enden der Abstimmungsinduktanz 25 und deren Gitter ebenfalls in Gegentaktschaltung über den Transformator 39 an die Zeichenquelle 40 angeschlossen sind. Eine negative Vorspannung für die Gitter wird

'durch, die Spannungsquelle 41 erzeugt, welche mit dem Mittelpunkt der Sekundärwicklung des Transformators 39 verbunden ist. Der Eingangskreis enthält ferner einen Widerstand 42, der parallel zu der Sekundärwicklung liegt, und außerdem die Hochfrequenzdrosselspule 43 und 44 und die Hochfrequenz-Parallelkondensatoren 45 und 46. Eine Kupplung zwischen dem abgestimmten Kreis des Oszillators und den Gittern der Steuerröhren wird durch eine Spule 85 hergestellt, die durch Gegeninduktanz mit der Abstimmungsspule des Oszillators lose gekuppelt und durch ein Phasenverschiebungsnetzwerk 47 mit den Kathoden der Steuerröhren und der Mittelpunktverbindung der Kondensatoren 45 und 46 verbunden ist. Das Netzwerk 47 besteht aus einer Reiheninduktivität und einem Paar veränderlicher Querkapazitäten, welche so eingeregelt werden, daß sie an den Emgangskkmmen der Steuerröhren eine Hochfrequenzspännung erzeugen, die ao genau in Quadratur mit der Spannung an der Abstimmungsspule des Oszillators liegt. . .

Die Kopplungspule 85 liefert auch einen Strom für die Ausgangsleitungen 48 und 49, welche zu dem Frequenzwandler 14 und dem Kraftverstärker 15 der Fig. 1 führen. Eine Abzweigung von diesen Leitungen leitet einen Teil des Stromes zu der Freqüenzteileranordnung, von welcher eine Einheit ausführlich bei 52 dargestellt ist. Sie besteht aus einem Vakuumrohr 51, einem Brückennetzwerk 50 mit Kupferoxydgleichrichtern, einem Eingangstransformator 53, einem abgestimmten Ausgangskreis 54 und einem Rückkopplungskreis 55, der mit der Induktanz des abgestimmten Kreises 54 und mit den Klemmen der Kupfer oxydbrücke durch zwei Abzweiginduktanzen gekoppelt ist. Der Anodenstrom für das Vakuumrohr wird von. einer Spannungsquelle 56 geliefert. In der vorliegenden Anordnung setzt der Teiler die Ausgangsfrequenz auf. die Hälfte der Eingaiigsfrequenz herab, wobei der abgestimmte Kreis 54 der herabgesetzten Frequenz entspricht. Von dem Ausgangskreis der ersten Stufe des Teilers führt ein Stromkreis 57 zu neun weiteren, in Reihe geschalteten Stufen, von denen- drei bei 58, 59 und 60 angedeutet sind. Die Ends'cnwingung wird vom Ausgangskreis der letzten Stufe des Frequenzteilers durch, die Transformatoren 61 und 62 den Eingangskreisen Von zwei abgeglichenen Modulatoren aufgedrückt. Diese Modulatoren, welche der Einrichtung 18 in Fig. 1 entsprechen, enthalten vier Vakuumröhren 63, 64, 65 und 66, die paarweise miteinander verbunden und deren Kathoden· geerdet sind. Die Sekundärwicklung des Transformators 61 ist an die Gitter der Röhren 62, und 64 in Gegentaktschaltung und die Sekundärwicklung des Transformators 62 in ähnlicher Weise an die Gitter der Röhren 65 und 66 angeschlossen. Eine Hauptfrequenz-Schwingungsquelle 67 liefert das Potential für die Modulatorengitter. Die Schaltung enthält einen Transformator 68, an dessen Sekundärwicklung zwei Phasenteilungsnetzwerke 69 und 70 angeschlossen sind, die beide aus einem Widerstand und einer Kapazität, in Reihe geschaltet,, bestehen. Die Spannung an dem Widerstand des Netzwerkes 69 wird auf die Gitter der Röhren 63 und 64 in gleicher Phase durch, die Leitung 71 übertragen, welche an den Mittelpunkt der Sekundärwicklung des Transformators 61 angeschlossen ist. In ähnlicher Weise wird die Ouadraturspannung an der Kapazität des Netzwerkes 70 durch die Leitung 72 und die Sekundärwicklung des Transformators 62 in gleicher Phase den Gittern der Röhren 65 und 66 aufgedrückt. Die Vorspannung für die Gitter der Modulatorröhren wird von der Quelle 73 über die Leitungen 71 und 72 geliefert. Die Anoden der Modulatorröhren 63 und 64 sind an die Wicklungen 74 und 76 eines Wechselstrommotors 78 angeschlossen, während die Anoden der Röhren 65 und 66 mit den Wicklungen 75 und yy des Motors verbunden sind. Der Anker des Motors 78 steht, wie dies durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, mit den Drehkondensatoren 28 und 29 in dem abgestimmten Kreis des Oszillators in mechanischer Verbindung. Die Wirkung der Steuerröhren und der Rückkopplungsschaltung, die durch, das Phasenschiebernetzwerk 47 hergestellt ist, besteht kurz darin, die wirksame Induktanz der Spule 25 um einen kleinen, der Amplitude der Zeichenströme proportionalen Wert und mit der. Geschwindigkeit der Zeichenfrequenz zu ändern. Auf diese Weise wird die Abstimmung des Oszillatorkreises geändert, wodurch. Modulationen der Oszillatorfrequenz entsprechend den Zeichen hervorgerufen werden. Die Verwendung von zwei S teuer röhren in Gegentaktschaltung hat den Vorteil, daß man für die Modulation der Hochfrequenzstrome einen besseren Grad der Linearität erhält. Die Anordnung hat den weiteren Vorteil, daß Änderungen der Gittervorspannung nur eine .geri'nge.Wirkung auf die Frequenz des Oszillators ausüben, da die Hauptwirkung eintritt, wenn die beiden Gitterspannungen in entgegengesetztem Sinn geändert werden.

Es sei hervorgehoben, daß die Regelung der Oszillatorfrequenz durch den Motor 78 mit Hilfe der Einregelung der Kondensatoren 28 und 29 aus-.geführt wird, während die Zeichenmodulation durch eine wirksame Änderung der Induktanz 25 eintritt. Die beiden Regelungen sind voneinander unabhängig, und diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Regelung des Abwanderns den Zustand des Kreises hinsichtlich der Modulation durch die Zeichenströme nicht stört.

Die Verbindung zwischen dem Motor und den Drehkondensatoren 28 und 29 ist in Fig. 3 veranschaulicht. Der Motoranker 79 ist über die Schnecke 80 und das Schneckenrad 81 mit der Welle 82 verbunden, auf welcher die drehbaren Teile der Kondensatoren 28 und 29 angebracht sind. Der Anker 79 besitzt eine beträchtliche Trägheit, die noch- durch die Trägheit des Schneckenrades 81 und die Platten der Kondensatoren 28 und 29 vergrößert wird, wobei das Übersetzungsverhältnis des Getriebes diese Wirkung noch verstärkt. Die Trägheit im Verein mit der Reibung des Getriebes und der Lager reicht im allgemeinen aus, die Übertragung schneller Schwingungen auf den Motoranker im wesentlichen zu unterbinden.

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Zusätzlich kann erforderlichenfalls die Dämpfung ■des Systems vergrößert werden, was durch Verwendung einer Wirbelstrombremse in Gestalt eines das Schneckenrad 81 umgreifenden permanenten Magneten geschehen kann. Außerdem kann die Motorwelle genügend nachgiebig für Drehbeanspruchungen gemacht werden, indem man eine Federkupplung zwischen dem Motor und dem Antrieb vorsieht oder indem man nötigenfalls die ίο Welle teilt und eine Federkupplung zwischen die beiden Teile einsetzt.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Anordnung zur Konstanthaltung der mittleren Frequenz eines Oszillators für frequenzmodulierte Trägerwellen, dadurch gekennzeichnet, daß durch Frequenzteilung von der frequenzmodulierten Trägerwelle eine subharmonische Schwingung von solch niedrigem Wert abao geleitet wird, daß die der verminderten Frequenzmodulation der subharmonischen Schwingung entsprechenden Phasenoszillationen kleiner sind als ein Radiant, daß danach die subharmonische Schwingung mit Schwingungen einer feststehenden Frequenz gemischt wird, um eine Mehrzahl in der Phase gegeneinander verschobener Schwebungsströme von der Differenzfrequenz zu bilden, daß die Schwebungsfrequenz ein magnetisches Feld erzeugt, welches bei Ansteigen bzw. Abfallen der mittleren Frequenz der modulierten subharmonischen Schwingung über bzw. unter die feststehende Frequenz in der einen oder anderen Richtung rotiert und die mittlere Frequenz des Trägerwellenoszillators zwecks Verringerung der Frequenz der Schwebungsströme steuert, und der durch die Modulation! bedingte Einfluß von Geschwindigkeitsschwankungen des rotierenden Feldes auf die Frequenzsteuerung mit Hilfe mechanischer Mittel im wesentlichen unterdrückt wird.

   2„ Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte magnetische Feld einen Anker, welcher die Stellung beweglicher Kondensatoren verändert, oder das Feld einer Wirbelstrombremse steuert, um den Einfluß irgendwelcher restlicher und unerwünschter Frequenzänderungen in der Schwebungsfrequenzschwingung zu unterbinden.

   Angezogene Druckschriften:
   Französische Patentschrift Nr. 840 443;
   USA.-Patentschrift Nr. 1 959 449.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 52§8 6.5§