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.Anordnung zur Nachrichtenübertragung mit Impulsen Es gibt in der
Signal- und der Nachrichtentechnik sowie für Peilzwecke eine ganze Reihe von Fällen,
in denen kurze Impulse, d. h. Impulse, deren Dauer kurz im Verhältnis zur Dauer
der Impulspausen, z. B. l/ioo der Impulspause, ist, ausgesendet und empfangen werden
müssen. Für die Zwecke der Nachrichtenübertragung können, diese Impulse eine Frequenz-
oder eine Phasenmodulation erhalten. Unter Frequenzmodulation versteht man dabei,
daß die Anzahl der Impulse, welche in der Zeiteinheit ausgesandt werden, in irgendeiner
Weise von der zu übertragenden Nachricht abhängt, beispielsweise ihr linear proportional
ist. Unter einer Phasenmodulation versteht man den in Abb. x der Zeichnung dargestellten
Fall, daß Impulse J von stets gleichbleibender Gestalt fernübertragen werden, wobei
jedoch der Phasenverschiebungswinkel 9p, (P.,99, der Impulse gegenüber den in regelmäßigen
zeitlichen Abständen T liegenden Zeitpunkten to entsprechend der zu übertragenden
Nachricht verändert wird.
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Zwischen der Impulsform und dem Frequenzbereich, welcher zur Erzeugung
dieser Impulsform erforderlich ist, bestehen, wenn es sich um kurze Impulse im obengenannten
Sinne handelt, die folgenden Zusammenhänge: Wenn man, wie die Abb. 2 zeigt, ein
von Null beginnendes Frequenzband, welches bis zu einer endlichen Frequenz f 1 reicht,
zur Verfügung stellt und in diesem alle Frequenzen mit der gleichen Amplitude aussendet,
so erhält man einen zeitlichen Verlauf des Impulses, wie er in Abb. 3
dargestellt
ist. Es entsteht keineswegs ein rechteckförmiger Impuls, sondern die Impulsamplitude
A nimmt vielmehr von der Mitte des Impulses an, die willkürlich mit t = 0 bezeichnet
ist, nach der Gleichung
ab. Zur Zeit t = 0 ist die Impulsamplitude A,; die Nulldurchgänge liegen bei
2 n f1 t = n, 2 n, 3 z usw: Wenn man andererseits zwar einen- unendlichen
Frequenzbereich zur Erzeugung des Impulses zur Verfügung stellt, die Senderamplitude
y aber, wie die Abb. q. zeigt, in Abhängigkeit von der Frequenz nach der Gleichung
worin y, der Gleichstromwert ist und deren Nullpunkte bei 2 n d f =
n, 2 7r, 3 n usw. liegen, abnehmen läßt, so erhält man, wie in Abb. 5 dargestellt,
einen rechteckförmigen Impuls der Dauer
Außerdem kann man beweisen, daß auch bei einem begrenzten Frequenzband, wenn man
die Amplitude y innerhalb desselben nach der Gleichung
abnehmen läßt (e = Basis der natürlichen Logarithmen), ein Impuls ohne die in Abb.3
dargestellten Schwingungen vor und nach der Impulsmitte hergestellt werden kann.
Zu diesem Amplitudenfrequenzkurvenverlauf" nach der Gleichung (3), der in Abb. 6
dargestellt ist, gehört ein zeitlicher Verlauf des Impulses, wie ihn Abb. 7 zeigt.
Wenn man wieder die Impulsmitte als den Nullpunkt wählt, gehorcht der Impulsverlauf
der folgenden Gleichung
Wenn man mit einem rechteckförmigen Sendeband arbeitet; ist es selbstverständlich,
daß man auch der Amplitudenfrequenzkurve des Empfängers die gleiche Bandbreite und
den gleichen Frequenzgang geben, d. h. daß man mit einem rechteckförmigen Empfangsband
arbeiten muß. Dagegen ist es bei einer nicht rechteckförmigen Amplitudenfrequenzkurve
des Senders zunächst nicht ohne weiteres klar, welche Amplitudenfrequenzkurve der
Empfänger erhalten muß. Es wäre falsch, etwa schließen zu wollen,. daß das Empfangsband
stets mit dem Sendeband übereinstimmen müsse, denn jede einzelne Frequenz tritt
ja empfangsseitig mit einer Amplitude auf, die sich aus dem Produkt der Ordinaten
der Amplitudenfrequenzkurve des Senders und des Empfängers bei dieser bestimmten
Frequenz errechnet, und man sieht daher schon, daß im Empfänger eine bestimmte Frequenz
also in einem ganz anderen Verhältnis zu der mit der größten Amplitude auftretenden
erscheinen würde als im Sender, wenn man dem Empfangsband gleichen Verlauf geben
würde wie dem Sendeband.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis Zugrunde, daß man
durch Bemessung des Empfangs-Bandes bei gegebenem Sendeband höchst überraschenderweise
das Verhältnis von Signal zu Rauschen, das auf der Empfangsseite auftritt, beeinflussen
kann, und daß für dieses Verhältnis ein Optimalwert besteht, was, wie sogleich gezeigt
werden soll, keineswegs vorauszusehen war. Angenommen, es werden Impulse gesendet,
die einem nicht rechteckförmigen senderseitigen Frequenzband entsprechen. Es ist
nun zwar einleuchtend, daß man das Empfangsband nicht zu breit machen darf, weil
j a dann Frequenzbereiche im Empfänger erfaßt werden würden, in denen die Amplitudenfrequenzkurve
des Senders gar keine nennenswerte Amplitude besitzt und die daher nur zum empfangsseitigen
Rauschen beitragen können, ohne der Signalübertragung zu dienen. Man wußte daher,
daß bei gegebenem Sendeband und von großen Bereichen her abnehmender Breite des
Empfangsbandes das Verhältnis von Signal zu Rauschen zunehmen mußte. Dagegen war
zunächst nicht vorauszusagen, wie bei einem Empfangsband, das schmaler ist als das
Sendeband, d. h. bei einem solchen rechteckigen oder nicht rechteckigen Verlauf
der empfängerseitigen Amphtudenfrequenzkurve, daß die höheren Frequenzen des Sendebandes
geschwächt empfangen werden, das Verhältnis von Signal zu Rauschen ausfallen würde.
Zunächst mußte es sogar den Anschein haben, als wenn Empfangsbänder, die in diesem
Sinne schmaler sind als das Sendeband; ganz aussichtslos sein würden, weil bei ihnen
empfangsseitig gar nicht eine dem Sendeimpuls entsprechende Impulsform erzielt werden
könne und daß deshalb die Frage nach dem Verhältnis von Signal zu Rauschen überhaupt
sinnlos wäre. Es kann nun aber gezeigt werden, daß bei Impulsen bei gegebener Senderbandbreite
das Verhältnis von Signal zu Rauschen von ganz kleinen Empfangsbandbreiten an mit
anwachsender Empfangsbandbreite sich verbessert. Die Rauschenergie ist nämlich der
Breite eines bestimmten endlichen Frequenzbereiches linear proportionalund also
auch hnearproportional der Breite des Empfangsbandes, wenn dieses als rechteckig
und sich bis zu der Frequenz G erstreckende vorausgesetzt wird. Das hörbare Rauschen,
d. h. die Rauschspannung, ist also der Quadratwurzel aus G proportional. Die Flankensteilheit
S eines empfangsseitigen Impulses ist aber nun um- so größer, je höher die Frequenzgrenze
G des Empfangsbandes ist, und zwar ist die Flankensteilheit der ersten Potenz der
Bandbreite proportional. Für das Verhältnis von Signal zu Rauschen kann man bei.
Impulsen nun eine Größe definieren, die im folgenden Rauschverschiebung genannt
und an Hand der Abb. 8 erläutert werden soll.
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In Abb. 8 a sei 1l ein Impuls einer bestimmten Form, der am Empfängereingang
auftritt. Die empfangsseitig zu beobachtende Rauschspannung habe den in Abb. 8 b
mit R angedeuteten Verlauf und möge positive und negative Werte annehmen können,
die innerhalb der durch die Linien zo und zz gegebenen Amplituden liegen sollen.
Empfangsseitig wird nun bei den bisher bekannten Impulsempfangseinrichtungen eine
erst bei einer bestimmten Amplitude ansprechende Einrichtung, die sog. Amplitudenschwelle,
verwendet zum Zwecke, das in den Impulspausen
auftretende Rauschen
vom Signal- oder Nachrichtenwiedergabegerät fern zu halten. Während der Dauer des
Impulses 1, addiert sich die Rauschspannung zu der Impulsamplitude, so daß,
wenn man die Linien io' und ii' in derselben senkrechten Entfernung von der Kurve
J, in Abb. 8 a einzeichnet, welche die Linien io und ii in Abb.8b von der Zeitlinie
besitzen, die Schnittpunkte von io' und i i' mit der Linie s, welche die Spannung
bedeutet, bei der die Amplitudenschwelle anspricht, die höchstenfalls zu erwartende
positive oder negative Rauschverschiebung t' angeben. Der Einfluß des Rauschens
auf den Impulsempfang besteht also darin, daß sich im Empfänger ein Impuls, der
in Wirklichkeit erst beim Schnittpunkt der Kurve j1 mit s zur Wirkung kommen sollte,
schon um t' früher oder erst um t' später auswirkt, je nachdem, ob zu der Zeit,
in der die Vorderflanke von 1, durchlaufen wird, eine positive oder negative
Rauschspannung vorhanden ist. Die Zeit t', die, wie sich aus Abb. 8 a ergibt, um
so größer ist, je größer die Rauschspannung R ist, und um so kleiner, je größer
die Impulsflankensteilheit S ist, kann man als die Rauschverschiebung bezeichnen.
Für die Abhängigkeit der Rauschverschiebung RV von der Frequenz G gilt also, wenn
die Proportionalitätsfaktoren = i gesetzt werden und mit R (G) die Rauschspannung
als Funktion der Grenzfrequenz G, mit S (G) die Impulsflankensteilheit als Funktion
der Grenzfrequenz G bezeichnet wird,
Mit zunehmender Breite des Empfangsbandes sinkt also die Rauschverschiebung, und
zwar mit der Quadratwurzel aus der Grenzfrequenz G.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, beim Empfang von Impulsen
die Empfangsbandbreite bei gegebener Sendebandbreite derart zu wählen, daß sich
ein optimales Verhältnis von Signal zu Rauschen ergibt unter Ausschluß von rechteckförmigem
Empfangsband bei einem rechteckförmigen Sendeband von gleicher Breite.
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Für ein gegebenes Sendeband, d. h. eine gegebene Form der am Empfängereingang
einlaufenden Impulse, kann diese optimale Empfängerbandbreite jeweils experimentell
bestimmt werden.
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Gemäß der weiteren Erfindung wird noch an den Empfänger die zusätzliche
Forderung gestellt, daß bei der günstigsten Empfängerbandbreite auch kein schwingungsförmiger
Impulsverlauf auftreten soll, wie er in der Abb. 3 veranschaulicht ist.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Durchlaßbereich eines Übertragungskanals
oder eines Verstärkers für Impulse derart zu bemessen, daß die Amplitudenfrequenzkurve
z der Gleichung
gehorcht, um bei einem vorgegebenen Frequenzbereich für den Impuls die kürzest mögliche
Impulsdauer zu erzielen. Jedoch ist bei dieser Wahl der Impulsform die Frage nach
dem Verhältnis von Signal zu Rauschen vollkommen außer Acht gelassen worden. Für
derartige schwingungsfreie Impulse soll im folgenden die im Sinne der Erfindung
zu wählende Empfangsbandbreite angegeben werden.
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Zunächst ist jedoch noch zu erläutern, daß diese günstigste Empfangsbandbreite,
d. h. diejenige Empfangsbandbreite, bei der die geringste Rauschverschiebung auftritt,
nicht nur von der gegebenen Sendebandbreite, d. h. der Form der am Empfängereingang
auftretenden Impulse abhängt, sondern auch von der Art der empfangsseitigen Auswertung.
Die an Hand der Abb. 8 a und 8 b erläuterte empfangsseitige Auswertung des Impulses
beim Durchgang durch den Schwellenwert s ist nämlich nicht die einzige Methode der
Nutzbarmachung der Impulse, sondern man kann auch beispielsweise den Empfänger so
bauen, daß er im Zeitpunkt des Maximalwertes der Empfängereingangsspannung das Nachrichtenwiedergabegerät
ansprechen läßt. Solche Empfängerschaltungen sind bereits vorgeschlagen worden.
Es sind auch bereits Empfängerschaltungen vorgeschlagen worden, die einen eintreffenden
Impuls im zeitlichen Mittelpunkt der steilsten Stelle der Vorder- und der Rückflanke
zur Wirkung bringen.
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Zur Regelung der Empfangsbandbreite, d. h. zur Einstellung eines möglichst
rauschfreien Empfanges, soll bei einer Form des Sendeimpulses nach Gleichung (q.)
oder, was gleichbedeutend ist, einer Form des Sendebandes nach Gleichung (3) die
Amplitudenfrequenzkurve (x = Funktion von f) des Empfängers die Gleichung
befolgen, in der die Größe a je nach der benutzten Empfängerschaltung einen ganz
bestimmten Wert annimmt.
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Auf experimentellem Wege können die in Abb. 9 dargestellten Werte
des Verhältnisses von Signal zu Rauschen für verschiedene Werte von a gefunden werden,
wenn man sich der in Abb. io dargestellten Schaltung bedient. In Abb. io ist 12
die Empfangsantenne, 13 ein Überlagerer und 14 eine Mischstufe. Mit 15 ist
ein Zwischenfrequenzverstärker bezeichnet, mit -i6 eine Amplitudenschwelle bzw.
ein auf den Spitzenwert bzw. auf die zeitliche Mitte der Impulsvorder- und Rückflanke
ansprechendes Gerät und mit 17 das betreffende Nachrichtenwiedergabegerät. Die Resonanzkreise
der einzelnen Zwischenfrequenzverstärkerröhren sollen alle auf gleiche Frequenz
abgestimmt sein. Wenn man diese Kondensatoren einstellbar ausbildet, mechanisch
miteinander koppelt und sie alle gleichzeitig verstellt, wobei gegebenenfalls auch
noch die Paralleldämpfungswiderstände gleichzeitig in bestimmter Weise verstellt
werden, kann man die Größe a in Gleichung 6 kontinuierlich verändern, d. h. die
Empfängerbandbreite verändern. Das Verhältnis von Signal zu Rauschen wird dann beispielsweise
dadurch gemessen, daß man bei einem konstanten Eingangspegel des Signals an den
Eingangsklemmen des Nachrichtenwiedergabegerätes zunächst für alle Werte von a die
Summe von Signal und Rauschen mißt, beispielsweise mit einem Röhrenvoltmeter, und
sodann für dieselben Werte von a das
Räuschen allein ermittelt.
Unter der Voraussetzung, die man bei allen derartigen Betrachtungen machen muß und
unter der ein Impulsempfang auch allein möglich ist, nämlich unter der Voraussetzung,
daß das Rauschen klein gegenüber dem Signal selbst ist, kann man dann den Quotienten
von Signal plus Rauschen zu Rauschen mit genügender Annäherung gleich dem Quotienten
von Signal zu Rauschen setzen.
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Aus der Abb. 9, in der eine logarithmische Teilung auf der Abszissenachse
und eine lineare Teilung mit einem willkürlich gewählten Maßstab auf der Ordinatenachse
verwendet ist, ist nun zu ersehen, daß das Verhältnis von Signal zu Rauschen bei
jeder der Kurven I bis III, die jeweils für eine ganz bestimmte Empfangsschaltung
gilt, einen optimalen Wert besitzt. Eine theoretische Untersuchung des Problems,
die hier nicht durchgeführt werden soll; hat diejenigen Werte für a ergeben, welche
in Abb. 9 eingetragen sind. Für die Kurve I, für die a = y3- ist, wurde angenommen,
daß das Nachrichtenwiedergabegerät dann anspricht, -wenn der Impuls die steilste
Stelle seiner Vorderflanke oder natürlich auch seiner Rückflanke durchläuft. Für
die Kurve II, bei der a = i ist, wurde vorausgesetzt, daß das Nachrichtenwiedergabegerät
beim Impulsmaximum anspizcht, und für die Kurve III, bei der a = z;65 ist, daß der
zeitliche Mittelpunkt zwischen der steilsten Stelle der Vorder-und der Rückflanke
ausgewertet wird: Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, da.ß auch der Wert a =
x keineswegs eine Selbstverständlichkeit darstellt. Man muß nämlich bedenken, daß
der Wert a = i, der gleichbedeutend ist mit der Regel beim Empfang von Impulsen,
für ein Sendefrequenzband nach Gleichung (3) ein Empfangsfrequenzband nach Gleichung
(7) mit dem Wert ä =-i zu wählen, ja bedeutet, daß eine bestimmte im Sendeband enthaltene
Frequenz empfangsseitig keineswegs mit der . gleichen Amplitude, bezogen auf die
größte im Empfangsband vorkommende Amplitude, auftritt, da man die empfangsseitig
bei einer bestimmten Frequenz auftretende Amplitude ja durch Multiplikation der
Ordinaten der Amplitudenfreqüenzkürve des Senders und Empfängers bei dieser Frequenz
zu ermitteln hat. Naheliegend wäre es nur, bei einem rechteckförmigen Verlauf der
Amplitudenfrequenzkurve auf der Senderseite auch dem Empfänger eine rechteckförmige
Amplitudenfrequenzkurve gleicher Breite zu geben; dieser Fall ist aber in Anspruch
i ausdrücklich ausgeschlossen.