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Hochfrequenztelefonieübertragungssystem für Hochspannungsleitungen
Von den heute in Betrieb befindlichen Hochfrequenztelephonieübertragungssystemen,
welche Hochspannungsleitungen als Übertragungsmedium verwenden, ist das mit Zweiseitenbandübertragung
unid Amplitudenmodulation arbeitende Trägerstromsystem das älteste. Im Laufe der
Entwicklung hat sich nun gezeigt, daß dieses System bei wachsendem Ausbau der Nachrichtenkanäle
den Anforderungen nicht mehr genügt. Vor allem macht sich der Wellenmangel störend
bemerkbar, da die Zweiseitenbandübertragung einen verhältnismäßig hohen Frequenzbereich
je Kanal in Anspruch nimmt. Ein anderes, nicht weniger wichtiges Problem bei,der
Übertragung über Hochspannungsleitungen bildet der unter Umständen sehr hohe Störpegel,
der bei den an sich großen Entfernungen, die über solche Leitungen durch Trägerstromverbindungen
überbrückt werden können, stark ins Gewicht fällt.
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Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten ist die Entwicklung verschiedene
Wege gegangen. Dem Problem des Wellenmangels wird dabei am besten durch die bekannten
Einseitenbandsysteme mit unterdrücktem Träger begegnet, die gleichzeitig den Vorteil
einer gewissen Verbesserung des Störpegelabstandes aufweisen. Bei diesen Systemen
erstreckt sich ein Übertragungskanal jeweils nur zwischen zwei benachbarten Stationen;
der Verkehr mit weiteren Stationen erfolgt im sogenannten Relaisstationsbetrieb.
Der Nachteil dieser Betriebsweise ist ein höherer Verbrauch an Frequenzen, da für
angrenzende Abschnitte im allgemeinen verschiedene Wellen verwendet werden müssen.
Eine andere bekannte Lösung des Problems des Wellenmangels
stellt
das sogenannteLinienverkehrssystem dar, das darin besteht, daß man die für die beiden
Übertragungsrichtungen verwendeten Trägerfrequenzen nur von den an beiden Enden
einer Linie liegenden Stationen aussendet, während die Zwischenstationen in der
Regel nur als Zwischenverstärker ausgebildet sind und Einrichtungen zur Modulation
der vom fernen Leitungsende der eintreffenden unmodulierten Trägerströme enthalten.
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Das Problem des Störpegels ist in jüngerer Zeit durch die Anwendung
der an sich bekannten Frequenzmodulation an Stelle der Amplitudenmodulation auch
bei der Übertragung über Hochspannungsleitungen gelöst worden, die einen beträchtlichen
Gewinn an Störpegelabstand mit sich brachte. Dieser Störpegelabstand ist um so größer,
je größer der für die Modulation verwendete Frequenzhub ist, so daß bei der praktischen
Ausgestaltung solcher Systeme mit einer Verminderung der Bandbreite für einen Kanal
nicht gerechnet werden kann. Die bekannten Systeme dieser Art arbeiten ebenfalls
nach dem kelaisstatonsprinzip.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde; eine weitere Verbesserung
der übertragungseigenschaften solcher Systeme, insbesondere hinsichtlich der beiden
genannten Probleme, zu schaffen. Diese Aufgabe ist nun nicht, wie es zunächst scheint,
dadurch befriedigend lösbar, daß man die Prinzipien des schon erwähnten Linienverkehrssystems
einfach übernimmt und ein solches System mit Frequenzmodulation betreibt. Einer
Realisierung der Frequenzmodulation in den Zwischenverstärkern stehen nämlich beträchtliche
Schwierigkeiten entgegen.
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Eine bereits von den mit Amplitudenmodulation arbeitenden Linienverkehrssystemen
her bekannte Schwierigkeit besteht darin, daß die an den Verstärker-Ein- und -Ausgang
angeschlossenen Fernleitengen über das Leitungssystem der Hochspannungsstation stets
verhältnismäßig stark gekoppelt sind, wodurch eine unverhältnismäßig starke Rückkopplung
auftritt und damit eine Beschränkung der Verstärkung notwendig wird. Bei Betrieb
mit Frequenzmodulation kommt als weitere Schwierigkeit hinzu, daß im Zwischenverstärker
der Träger selbst eine ungewollte, wenn auch geringe Verschiebung erhalten kann.
Empfangs- und Sendefrequenz stimmen dann nicht mehr genau überein, und infolge der
vorhandenen starken Rückkopplung vom Ausgang auf den Eingang und.,des Pegelunterschiedes
zwischen Ausgang und Eingang entsteht eine besonders starke überlagerungsstörung.
Die Frequenzmodulation muß also so erfolgen, daß die Trägerfrequenz den vorgeschriebenen
Wert sehr genau einhält. Schließlich ist es mit Schwierigkeiten verbunden, bei den
verhältnismäßig hohen Frequenzen, die für die Übertragung verwendet werden, einen
genügend hohen Hub zu erzielen, da man dann auch keine direkte Phasenmodulation
anwenden kann, deren Verwendung hinsichtlich der Könstanthaltung der Trägerfrequenzen
an sich die günstigste Lösung darstellen würde.
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Diese Schwierigkeiten werden bei einem Hochfrequenztelephonieübertragungssystem
für Hochspannungsleitungen, bei dem die zwischen zwei Endstellen liegenden Stationen
als Zwischenverstärker ausgebildet sind, in denen eine Modulation des vom fernen
Leitung sende ankommenden Trägerstromes erfolgt, gemäß der Erfindung dadurch überwunden,
daß in den Zwischenverstärkern die Anwendung der Frequenzmodulation dadurch ermöglicht
wird, daß die Frequenzmodulation in einer von der Übertragungsfrequenz unabhängigen
Frequenzlage erfolgt und daß sie in- Gestalt einer Phasenmodulation mit der Modulationsfrequenz
umgekehrt proportionalem Phasenhub vorgenommen wird.
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Erst die Kombination der beiden genannten Merkmale führt zu einem
System, das die gewünschten Verbesserungen hinsichtlich des benötigten Frequenzbandes
und hinsichtlich des Störabstandes bringt.
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Die Erfindung liegt daher in dieser Kombination, die es, im erweiterten
Sinn, überhaupt erst möglich macht, die Prinzipien der Frequenzmodulation und des
Linienverkehrs in einem neuen, technisch vorteilhaften Übertragungssystem zu vereinen.
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Weitere vorteilhafte Maßnahmen gehen aus der folgenden _ Beschreibung
einiger Ausführungsbeispiele für den Aufbau frequenzmodulierter Zwischenverstärker
gemäß der Erfindung hervor. Diese Beispiele sind in den Abbildungen in Gestalt von
Blockschaltbildern dargestellt, wobei übereinstimmende Bausteine in den verschiedenen
Abbildungen gleiche Bezugsziffern besitzen. Die den einzelnen Bausteinen beigefügten
Zahlenangaben stellen nur angenommene Werte dar, die jedoch den in der Praxis üblichen
Werten entsprechen. Die heute in Betrieb befindlichen Trägerstromgesäte für die
Übertragung über Hochspannungsleitungen verwenden fast durchweg Trägerfrequenzen
im Bereich zwischen 5o und 30o kHz.
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Zunächst soll ein Beispiel beschrieben werden, bei dem der Zwischenverstärker
ohne Frequenzumsetzung arbeitet. Bei diesem in Abb. i gezeigten Beispiel wird die
von links ankommende Frequenz f1 nach Durchlaufen des abstimmbaren Eingangsfilters
i im Modulator 2 in eine Zwischenfrequenzlage f, umgesetzt. Die- Umsetzerfreqüenz
fo -i- f1 wird von dem abstimmbaren Generator 9 geliefert. Der Träger f1 wird dabei
im Modulator mit unterdrückt, Trägerreste im nachgeordneten, auf fo abgestimmten
Filter 3 beseitigt. Die umgesetzte Frequenz wird anschließend in einem Frequenzteiler
q. im Verhältnis I herabgesetzt und die herabx gesetzte Frequenz in einem Phasenmodulator
5 durch die vom Mikrophon M gelieferte Niederfrequenzspannung moduliert. Die Modulation
erfolgt also unabhängig von der Frequenz des an.-kommenden Trägers in einer für
eine Phasenmodulation geeigneten niedrigeren Frequenzlage, wodurch die eingangs
genannten Schwierigkeiten hinsichtlich des Hubes beseitigt werden. Die Phasenmodulation
der herabgesetzten Zwischenfrequenz erfolgt mit einem der Modulationsfrequenz umgekehrt
proportionalen Phasenhub. Eine solcheModu-
Tation ist bekanntlich
völlig gleichwertig einer Frequenzmodulation. Die so modulierte Frequenz wird daraufhin
in dem Frequenzvervielfacher 6 wieder in die Zwischenfrequenzlage fo gebracht und
nach Siebung in dem auf diese Frequenz abgestimmten Filter 7 im Modulator 8 wieder
in die ursprüngliche Frequenzlage der Empfangsfrequenz fl umgesetzt. Die Umsetzung
erfolgt durch eine Frequenz fo -h f1, die vom gleichen Generator 9 geliefert wird,
der im Eingang die Umsetzung in die Zwischenfrequenz bewirkte. Nach Passieren eines
Tiefpasses 1o mit einer Grenzfrequenz entsprechend der höchsten zu übertragenden
Frequenz erfolgt die Verstärkung der frequenzmodulierten Trägerspannung in i i und
Weiterübertragung über das Sendefilter 12. Bei der beschriebenen Anordnung bleibt
die Trägerfrequenz beim Durchlaufen des Zwischenverstärkers exakt konstant.
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In den weiteren Beispielen sind Anordnungen gezeigt, bei denen im
Zwischenverstärker gleich-Zeitig mit der Frequenzmodulation eine Frequenzumsetzung
erfolgen kann, bei denen also die Sendefrequenz von der empfangenen Frequenz verschieden
ist. Eine solche Frequenzumsetzung ist an sich von Freileitungsträgerstromsystemen
her bekannt, jedoch wird,dort weder eine Frequenzmodulation im Zwischenverstärker
vorgenommen noch der Träger übertragen, so daß die bekannten Einrichtungen zur Lösung
der vorliegenden Aufgabe nicht anwendbar sind. Als besonders vorteilhaft erweist
sich bei diesem Verfahren eine Anordnung, bei welcher der Verstärker aus beiden
Richtungen das gleiche Frequenzband empfängt und mit einer bestimmten Verschiebung
wieder nach beiden Richtungen aussendet. Da hierbei an den Ein- und Ausgängen des
Verstärkers gleiche Frequenzen auch stets mit gleichem Pegel auftreten, wird die
Übersprechdämpfung beträchtlich verbessert, und die sonst notwendige Beschränkung
der möglichen Verstärkung infolge der Rückkopplung zwischen Ausgang_und Eingang
fällt fort. Bei der Frequenzmodulation kommt als weiterer Vorteil hinzu, daß auch
die Pfeifstörungen dadurch stark verringert werden, daß unabhängig vom eingestellten
Verstärkungsgrad die gleichen Frequenzen am Eingang und Ausgang nun mit gleichem
Pegel auftreten. Von der Modulationseinrichtung braucht in diesem Fall nur gefordert
zu werden, daß die vorgeschriebene Firequenzverschiebung einigermaßen genau eingehalten
wird.
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Das Beispiel nach Abb. z unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel
dadurch, daß die empfangene Spannung einer zweimaligen Frequenzumsetzung unterworfen
wird, wobei eine der dabei verwendeten Trägerfrequenzen unmoduliert, die andere
frequenzmoduliert ist. Im einzelnen ist die Wirkungsweise dieser Anordnung folgende:
Die ankommende Frequenz f1 wird in dem hinter dem Eingangsfilter i angeordneten
Modulator durch eine vom Generator 13 gelieferte feste, vorzugsweise quarzstabilisierte
Frequenz f, in eine Zwischenfrequenzlage f1 -f- f" umgesetzt und gelangt über ein
auf dieses Zwischenfrequenzband abgestimmtes, relativ breites und dabei einfaches
Filter 14 auf einen zweiten Modulator 15, dem als Steuerfrequenz eine frequenzmodulierte
Schwingung fb zugeführt wird, deren Frequenzlage so gewählt ist, daß als Modulationsprodukt
eine von f1 verschiedene, jedoch im vorgesehenenübertragungsfrequenzbereich liegende
bestimmte Frequenz f. entsteht. fb ist unveränderbar, f" unterscheidet sich um den
gewünschten Verschiebungsbetrag f von fb. Die frequenzmodulierte Schwingung
wird von einem Generator 16 geliefert, wobei die Frequenzmodulation zweckmäßig analog
dem bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Verfahren in der Weise erfolgt"daß
eine niedrigere Frequenz f blx phasenmoduliert und anschließend durch Vervielfachung
auf den Wert fb gebracht wird. Durch diese Anordnung kann auch der frequenzmodulierte
Generator mit Quarzstabilisierung ausgeführt und damit die gewünschte Frequenzverschiebung
mit einer Genauigkeit von wenigen Hz eingehalten werden. Nach erfolgter zweiter
Umsetzung in die zweite Frequenzlage erfolgt wie vorher nachDurchlaufen des Tiefpasses
1o dieVerstärkung des weiter zu übertragenden frequenzmodulierten Trägers in i i,
in dessen Ausgang wieder das abstimmbare Sendefilter 1a liegt. Es ist selbstverständlich,
daß die gleiche Aufbauweise auch für einen Zwischenverstärker ohne Frequenzumsetzung
anwendbar ist. In diesem Fall braucht man nur die Frequenzen f" und fb einander
gleich zu machen. Auch bei dem in Abb. 3 gezeigten Beispiel wird von der Modulation
mit einem frequenzmodulierten Träger Gebrauch gemacht. Um jedoch außerdem mit einem
fest abgestimmten Filter für die Hauptselektion auszukommen, ist noch eine zweifache
Zwischenmodulation mit dem gleichen Träger (f1 -I- f" -I- fo) angeführt, durch die
das zunächst in der Lage f1 -h f" liegende Frequenzband auf die Mittenfrequenz fo
verschoben und nach Durchlaufen des Zwischenfrequenzfilters ZBF '(3) wieder in die
Ausgangslage zurückgebracht wird. Frequenzschwankungen des Generators 17 gehen in
die Frequenzgenauigkeit der Anordnung nicht ein. Alle Filter außer dem Zwischenfrequenzfilter
ZBF haben nur sehr geringe Anforderungen zu erfüllen, was besonders für die direkt
an der Leitung liegenden veränderbaren Filter einen großen Vorteil bedeutet.