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Schaltungsanordnung zur Nachrichtenübertragung mit Impulsen Neben:
Impulsverfahren, bei; denen der Nachrichtennnhalt z. B. durch die Länge von in regelmäßigen
Zeitabständen aufeinanderfolgenden Impulsen oder bei denen der Nachrichteninhalt
durch wechselnde Amplitude von ebenfalls, in regelmäßiger Folge übertragenen Impulsen
wiiedergegeben wird, gibt es auch solche Impulsverfahren, bei denen das Vorhandensein
oder Nichtvorhandensein eines Impulses innerhalb einer bestimmten Zeitspanne den
Nachrichteninhalt bestimmt. Zu diesen letzteren, Verfahren gehört beispielsweise
das Fünferalphabet und die Übertragung einer Signalspannung mit häufigkeittsmodulierten
Impulsen. Bei der Häufigkeitsmodulation wird die Anzahl der je Zeiteinheit übertragenen
Impulse beispielsweise linear proportional mit der Amplitude der zu übertragenden
Signale geändert und empfangsseitig das Signal z. B. dadurch wiedergewonnen, daß
die empfangenen Impulse alle ih; Impulste eines konstanten Energieinhaltes umgewandelt
und dann dem Nachrichtenwiledergabegerät, denn ein Kondensator parallel liegt, zugeleitet
werden.
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Die Erfindung beruht, auf der Erkenntnis, daß bei Nachrichtenübertragungsanlagen
dieser Art ein Optimum an Stärbefreiung von den sogenannten Rauschimpulsen, d. h.
von den die Auswahlschwelle der Impulsempfangseinrichtung überschreitenden Störamplituden,
die von dem Schrotrauschen des Empfängers oder von anderen statistischen Störungen
herrühren, dann, erzilelt werden; kann,, wenn man das Frequenzband des. Empfängers.
zum Frequenzban:d des, Senders bei gegebener Sendeenergie je Impuls. und bei gegebener
Breite desi Ausgangsimpulses auf der Empfängerseite geeignet wählt.
Die
Erreichung des Optimums an Störbefreiung bei gegebener Breite des Ausgangsimpulses,
am Empfänger ist insofern sinnvoll, als in. allen Fällen, in denen das, Vorhandensein
eines Impulses innerhalb einer bestimmten Zeitspanne den Nachri!chteninhalt bestimmt,
der Impuls offenbar, auch eine stets, gleiche Breite haben muß. Beim Fünferalphabet
ist z. B. ein Buchstabe durch fünf Impulse gegeben, von denen einer oder mehrere
fehlen können. Diese Impulse müssen also im Interesse einer konstanten Telegraphiergeschsvindigkeit
auch alle stets gleich lang sein.
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Es muß darauf hingewiesen, werden, d'aß ffies ein: überaus überraschendes
Ergebnis darsellt. Zunächst mußte der Fachmann nämlich erwarten., daß man bei gegebenem
Frequenzband des Senders das Frequenzband des Empfängers so zu wählen hat, daß die
senderseitig ausgestrahlten Signalimpulse ohne Beschneidung des Senderfrequenzbandes
empfangen werden und d@aß man eine Störbefreiung von Rauschiimpulsen nur durch eine.
Erhöhung der Senderenergie, welche bei einer vorgegebenen zu überbrückenden, Entfernung
dann die Empfindlichkeit des Empfängers herabzusetzen gestatten würde, erreichen
könne.
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Die jeweils günstigsten Frequenzbandverhältnisse kann man bei einer
gegebenen: Senderenergie und Breite des Empfängerausgangsimpulses experiimentell
bestimmen, wie an einer weiter unten beschriebenen Versuchsanordnung erläutert werden
soll.
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Bei dieser Versuchsanlage ist ein sogernanntes glockenförmiges Frequenzband
auf der Senderseite vorhanden, was, einem ebenfalls glockenförmigen Verlauf der
Impulse auf der Ausgangsseite des Senders entspricht. Unter einem glockenförmigen
Verlauf des Frequenzbandes, wird dabei eiine Amplitudenfrequenzkürve von der Form
verstanden, die in, Abb. i dargestellt ist. Für verschiedene Werte von a erhält
di'eseis Band verschiedene Breiten. In Gleichung (i) ist F diejenige Frequenz, bei
welcher für a = i die Amplitudenfrequenzkurve! auf den Wert
abgeklungen isst. Unter einem glockenförmigen Impuls wird eine Amplitudenzeitkurve
von der Form
verstanden:, die in, Abb. 2 dargestellt ist. Auf der Empfängerseite wird ebenfalls
eine glockenförmige Amplitud'enfrequenzkurve von: der Form
eingehalten, wobei durch verschiedene Wahl von b aber die Brefite dieses Bandes:
ebenfalls, verändert werden kann. Es, ist bereits vorgeschlagen worden, den Durchlaßbereich
eines Übertragungskanals, oder eines Verstärkers, für Impulse derart zu bemessen,
daß die Amplitudenfrequenzkurve (z =Funktion von F) der Gleichung
gehorcht, um bei einem vorgegebenen Frequenzberei@ch für den Impuls dien kürzeste
mögliche Impuls,daue,r zu erzielen.
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Es, ist ferner bereits, vorgeschlagen worden, bei Impulsen, deren
zeitliche Lage entsprechend einer zu übertragenden Nachricht beeinflußt wird, insbesondere
bei frequenz- oder phasenmodulierten Impulsen, die Amplitudenfrequenzkurve des Empfängers
für eine gegebene Ampl@iltudenfrequenzkurve des Senders. derart zu wählen, daß sich
ein optimales Verhältnis, der das Signal darstellenden zeitlichen Verschiebung der
einzelnen: Impulse zu der durch die Rauschspannung hervorgerufenen Verfälschung
in der zeitlichen Lage, in der, das Eintreffen eines Impulses registriert wird,
der sogenannten Rauschverschiebung, ergibt. Dabei ist auch vorgeschlagen, für eine
glockenförmige Gestalt des ,empfangsseitigen Frequenzbandes, (x,=Funktion von f)
nach der Gleichung
bei. einem glockenförmigen, senderseitiigen Frequenzband nach der Gleichung
ein Optimum des Signalhubs zur Rauschverschiebung dadurch zu erzielen, daß der Größe
a., welche für die Breite des ,empfängerseitigen Frequenzbandes maßgebend ist, verschiedene,
übrigens von den Eigenschaften der empfangsseitigen Schaltung abhängige Werte erteilt
werden..
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Außerdem ist bereits. vorgeschlagen worden, bei einer Anordnung zur
Nachrichtenübertragung mit in ihrer zeitlichen Lage beeinflußten Impulsen, insbesondere
mit frequemz- oder phasenmodulierten Impulsen, bei einer gegebenen Amplitudenfrequenzkurve
des Empfängers die Amplitudenfrequenzkurve des Senders, bei gegebener mittlerer
Sendeleistung derart zu wählen, daß sich ein optimales Verhältnis vom Signal zum
Rauschen ergibt, wobei unter Signal ebenso wie beöl dem zuletzt erwähnten Vorschlag
wieder der zeitliche Signalhub und unter Rauschen ebenfalls, ebenso wie bei dem
zuletzt erwähnten Vorschlag die Rauschverschiebung zu verstehen lest.
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Auch dort ist vorgeschlagen, für glockenfö:rmiige, Frequenzbänder
die Größe bin der Gleichung
für die Amplitudenfrequenzkurve des Senders bei
einem glockenförmigen
Empfängerband nach der Gleichung
im allgemeinen abweichend von i zu, bemessen-Schließlich ist noch vorgeschlagen
worden, in einer Impulsempfangseinrichtung das Naehrichtenwiedergabegerät dann ansprechen
zu lassen, wenn die Summe a.usi der Impulsspannung und der ihr überlagerten Rauschspannung
ein Maximum durchläuft (sogena.nnte, Spitzenauswertung). Es isst dort gezeigt worden,
daß sich hierdurch eine bessere Störbefreiung beim Empfang von Impulsen erzielen
läßt, als wenn man in der biss dahin bekannten Weisse den Impulsempfänger immer
dann an.-sprechen läßt, wenn die, Summenspannung aus. Impuls und Rauschen. den kritischen
Wert einer fest eingestellten Amplitudenschwelle erreicht (sogenannte Eintflankena.uswertung).
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Auch eine Empfängerschaltung, die, einen eintreffenden Impuls, im
zeitlichen Mittelpunkt (streng genommen im einem konstanten zeitlichen Abstand vom
zeitlichen Mittelpunkt) der steilsten Stelle der Vorder- und der Rückflanke desi
Impulses zur Wirkung bringt, isst bereits vorgeschlagen worden (so, genannte Zweiflankenau@swertung).
Auch eine solche Schaltung hat bezüglich der Rauschbefreiung wesentliche Vorteile
gegenüber einer Einflanken auswertung.
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In der Schaltung der zur Ermittlung des erfindungsgemäßen Optimums
dienenden Versuchsanlage, die in Abb. 3 dargestellt ist, bedeutet io einen Impulssender,
der Impulse von konstanter Amplitude und gleichmäßigem Abstand, aussenden möge.
Mit i i ist ein Hochfrequenzsender bezeichnet, der durch, die genannten Impulse
moduliert wird. Die Ausgangsspannung des Senders. i i wird in einem Hochfrequenzverstärker
12 verstärkt, welcher aus mehreren hintereiinandergeschalteten Exponentialröhren
besteht, von denen jede in ihrer Anodenzuleitung einen Parallelschwingungskreis.,
der auf die Trägerfrequenz fo des Senders ii abgestimmt ist und noch mit einem verstellbaren
Paralleldämpfungswiderstand versehen ist, besitzt und über ein, RC-Glied mit der
nächsten Röhre gekoppelt ist. Die Vorspannung jeder Röhre ist einstellbar. Am Ausgang
des Hochfrequenzverstärkers treten somit glockenförmige Impulse nach Gleichung(i)
auf, die einer Freileitung 13 zugeführt werden. Diese Freileitung führt zu
einer Mischstufe i4, in der mit Hilfe eines Oszillators 15 die Trägerfr'equenz fo
auf die Zwischenfrequenz eines Verstärkers 16 transponiert wird. Auch dieser Zwischenfrequenzverstärker
besteht aus @ einer Mehrzahl hintereinandergeschalteter Exponentialröhren mit veränderlicher
Vorspannung, von denen jede in ihrer Anodenzuleitung einen auf die Zwischenfrequenz
abgestimmten Parallelschwingungskreiisj, der durch einen einstellbareni Widerstand
veränderlich bedämpft werden kann, besitzt. Wenn man die Paralleldämpfungswiderstände
des Hochfrequenzverstärkers und diejenigen des Zwischenfrequenzverstärkers mechanisch
miteinander koppelt, kann; man ohne Verschiebung der Maximalamplitude des Senders
auf der Frequenzskala und bei Verstellung der negativen Vorspannung auch ohne Änderung
von y. in Gleichung (i) den Wert a, d. h. die Bandbreite des Senders ändern:. Ferner
kann man auch im Zwiischenfrequenzverstärker diiie Größe b der Gleichung (2) durch
Verstellung der Widerstände verändern, und zwar bei Veränderung der Gittervorspannungen
gewünschtenfalls bei konstantem x.. D.i'e Empfängerbandbreite kann also unter Wahrung
der glockenförmigen Gestalt der Frequenzkurve verschieden groß gemacht werden. Es
lassen sich leicht Eichkurven zeichnen, aus denen für jede Widerstandseinstellung
die Werte von b und a entnommen werden können. An die letzte Stufe des Zwischenfrequenzverstärkers
16 ist eine Glei@chrichterstufe i7 angeschlossen, an deren Ausgang sowohl ein Röhrenoszillograph
18 als auch eine Einflanken- oder Spitzenauswertungss;tufei i9 liegt. Auf den Leuchtschirm
der Röhre kann eine Schablone aufgelegt werden, auf welcher die vorgeschriebene
Breite des, Empfängerausgangsimpulses markiert ist. Der Röhrenoszillograph ist noch
mit einem Verstellorgan 2o ausgerüstet, welches, die Empfindlichkeit eines zwischen
den Eingangsklemmen und den Ablenkplatten dieses Oszillographen liegendem Verstärkers
einzustellen gestattet. An diese ist, ein Spitzenzähler 21 von ähnlichem Aufbau
angeschlossen wie die bei radio-akti@ven Messungen zur Zählung von Alpha,teilchen
verwendeten Zähler.
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Die Spitzenzahlmessungen gehen mit einer Versuchsanlage nun folgendermaßen
vor .sich: Die Bandbreite des Senders wird zunächst durch Verstellung der Paralleld,ämpfungswiderstände
im Hochfrequenzverstärker 12 willkürlich auf einen Betrag Bi eingestellt, und sodann
werden die, Gi'ttervorspannungen der Exponentialröhren so eingeregelt, da.ß eins
an den Ausgang des Hochfrequemzverstärkers angeschlossenes, in Abb.3 nicht mit dargestelltes
Wattmeter eine bestimmte Leistung N, anzeigt. Schließlich wird die Bandbreite des
Empfängers auf einen größeren, kleineren oder den gleichen Betrag wie die des Senders,
eingestellt, z. B. auf dem, Beitrag B2. Unter diesen Umständen möge sich am Empfänger
eine bestimmte Breite der glockenförmigen Impulse ergeben, d'i'e aber von der vorgeschriebenen
Impulsbreite noch abweichen möge, so daß also der Impuls auf dem Leuchtschirm der
Braunischen Röhre mit dem auf der Schablone markierten Impuls noch nichts it, Übereinstimmung
sei' und d'ie beiden miteinander zu vergleichendem, Impulsbreken auch bei Verstellung
-des Verstärkerregelorgans 2o dadurch, daß dib beiden Impulishöhen miteinander Übereinstimmen,
nicht auf den gleichem, Wert gebracht werden können. Man kann sodann im Zwischenfrequenzverstärker
16 die Breite B2 des Empfängerfrequenzbandes verändern, indem die Paralleldämpfungswiders.tände
verstellt und gewünschtenfalls gleichzeitig die negativen@ Vorspannungen der Exponentialröhren
geändert werden.. Hierbei ändert snich die Breite des auf dem Leuchtschirm der
Bra
nschen Röhre entsprechenden Impulses, und zwar auch dann, wenn man, zu jeder Einstellung
in Zwischenfrequenzverstärker 16 mittels des: Verstärkerregelorgans, 2o den Impuls.
auf den Leuchtschirm wieder auf gleiche Höhe mit dem Impuls. auf der Schablone bringt.
Hat man auf diese Weise auf dem Leuchtschirm der Röhre einmal diie vorgeschriebene
Impulsbreite eingestellt, was bei der Bandbreite B3 des Empfängers, der Fall sein
möge, so muß für Einflankenauswertung in der Stufe zg die negative Vorspannung dieser
Impulsauswertungsstufe auf einen festen Bruchteil der unter diesen Verhältnissen
am Ausgang des Gleichrichters 17 auftretenden Maximalamplitude desi Glockenimpulses
eingestellt werden. Diese Maximalamplitude ist mit einem in, Abb. i ebenfalls nicht
mit dargestellten Spitzenspannungsmesser zuerst zu messen und die erwähnte negative
Vorspannung der Einflankenauswertungsstufe 22 sodann so einzuregeln, daß diese Auswertungsstufe
bei o,6o5 (bei diesem Bruchteil der Spitzenspannungs.amplitude liegt die steilste
Stelle der Vorderflanke) anspricht. Hiermit sind die Bedingungen geschaffen, unter
denen der erste Punkt der gesuchten Abhängigkeit der die Höhe der Auswahlschwelle
übersteigernden Rauschspitzenzahl bei gegebener Senderenergie je Impuls. und gegebener
Form des Empfängerausga.ngsimpulses von dem Verhältnis der Frequenzbandbreite des
Empfängers zu der des Senders zu messen gestattet. Man hat nun nämlich lediglich
für eines konstante Beobachtungsdauer, beispdeIsweise nach io Minuten, bei abgeschaltetem
Impulssender io die Anzahl der Rauschimpulse am Spitzenzähler abzulesen und als
Ordinate über dem als Abszisse lwert zu verwendenden Quotienten, b/a, der für die
eingestellten Bandbreiten B3 und B1 gilt, und B.: Bi aufzutragen. Die Beobachtungsdauer
muß dabei so lang gewählt werden, daß für diese Bandbreitenverhältnisse eine genügende
Zahl von Rauschimpulsen auf die Beobachtungsdauer entfällt, um einen Schluß auf
den statistischen Mittelwert der Zahl der Rauschimpulse zu erlauben. Zur Gewinnung
des zweiten Meßpunktes ist, nun durch Verstellung der Widerstände im Hochfrequenzverätärker
ein zweiter Wert von a-, also eine neue Bandbreite des Senders, sie sei B4 genannt,
einzustellen und durch Versstellung der Gittervorspannüngen im Hochfrequenzverstärker
wieder dies konstante. mittlere Leitung Na einzustellen:. Im Zwischenfrequenzverstärker
ist dann ein neuer Wert von b zu wählen, bei dem der Impuls am Ausgang de Gleichrichters.
17 sich bei' geeigneter Einstellung des Verstärkerregelknopfos, 2o wieder mit der
vorgeschriebenen Impulsform auf der Schablone deckt, was bei einer neuen Bandbreite
B5 der Fall sein soll. Mi:Bt man bei dieser Einsstellung B4 und B, die Amplitude
des, Impulseis am Ausgang von 2o mit dem Spitzenspannungsmesser, stellt die Auswahlschwelle
22 wieder so ein, daß sie bei o,6 dieses Amplitudenwertes anspricht, so, kann man
nach Abschaltung des Impulssenders io wieder während io Minuten, um beim obigen
Beispiel zu bleiben, die Zahl der Rauschimpulse feststellen und für denn B4 und
B, entsprechenden neuen Absznssenwert von bloc einen neuen Ordinatenwert gewinnen.
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Die Abbildung zeigt über einem logarithmischen Abs.zissenmaßs;tab
für blca die in dieser Weisse meßbaren Rauschimpulszahlen, die rin. ei=ner linearen
Teilung in willkürlichen Einheiten aufgetragen sind, und zwar in Kurve A für Einflankenauswertung
und in, Kurve B für Spitzenauswertung. Die Kurve für Spitzenauswertung ist ebenso
meßbar wie die für Einflankenauswertung, nur ist der kritische Wert der Auswahlschwelle
ig dabei auf o,98 der jeweiligen Impulsspitzenspannungsmessung einzustellen, wenn
man mit 21/o betriebsmäßigen Schwankungen der Gittervorspannung oder der Impulsamplitude
rechnet, statt auf 0,605
wie bei Einflankenauswertung. Die Kurve A zeigt ein
ziemlich schwach ausgeprägtes. Minimum unterhalb blas= i, die Kurve B ein
stärker ausgeprägtes bei ganz ungefähr dem gleichen Abszissen-wert; vor allem zeigen
die Kurven aber ein sehr starkes Ansteigen der Rauschimpulszahl, wenn man b nennenswert
größer macht als a. Die Erfindung lehrt also, z. B. bei Nachrichtenübertragungsanlagen,
bei denen abwechselnd Sprache und T'eleg'ramme im Fünferalphabet mit Glockenimpulsen
übertragen werden müssen, Empfängerbandbreiten, die auch nur verhältnismäßig wenig
größer sind als die Senderbandbreite, für die Telegrammübermittlung sorgfältig zu
vermeiden;, also mit b/a-Werten von etwa i, vorzugsweise von unterhalb i, zu arbeiten.
Man kann aus dieser Lehre z. B. den Schluß ziehen, für die Sprachübertragung mit
in ihrer zeitlichen Lage beeinflußten Glockenimpulsen nach dem obenerwähnt-en älteren
Vorschlag ein hns-fchtlich des Verhältnisses von Signalhub zu Rauschverschiebung
optimal bemessenes Senderband bei gegebenem Empfängerband und eine Spitzenauswertung
zu verwenden, bei dem das Optimum nämlich bei sehr ähnlichen Frequenzbandverhältnis,sen
liegt wie das. Rauschimpulszahloptimum gemäß,der vorliegenden Erfindung. Man braucht
dann also, beim übergang von Sprache auf Telegrammübermittlung die Bandbreiten und:
die Auswertungsstufe überhaupt nicht zu: verändern.
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Bei Zweiflankenauswertung ergibt sich auch ein ähnlicher Verlauf der
Kurve wie bei Einffanken-und Spitzenauswertung.