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Verfahren zur .Amplitudenmodulation mit veränderlichem Trägerwert
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Amplitudenmodulation einer Hochfrequenzschwingung,
bei der der Trägerwert durch die mittlere Amplitude der modulierenden Niederfrequenz
gesteuert wird.
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Bei dem bisher hauptsächlich verwendetenVerfahren zur Amplitudenmodulation
bleibt der Trägerwert konstant. Er ist also nicht vom Modulationsgrad abhängig.
Ein bekanntes Modulationsverfahren, die sogenannte HAPUG-Modulation, zeigt jedoch
diese Abhängigkeit. Hier. wird zwecks Leistungsersparnis derTrägerwert mit abnehmendem
Modulationsgrad verringert. Dies setzt einen bestimmten schaltungstechnischen Aufwand
und eine bestimmte Spitzenleistung voraus, die nur in den Modulationsspitzen ausgenutzt
wird. Diese Schaltungsart kann beispielsweise bei tragbaren Kleinstsendern nur angewendet
werden, um eine Verlängerung des möglichen Dauerbetriebes mit einer Batteriefüllung
zu erzielen. Die Reichweite des Gerätes, auf die es hier in erster Linie ankommt,
wird jedoch durch die HAPUG-Modulation nicht verbessert. Ein weiterer Nachteil der
bisher bekannten HAPUG-Modulation ist die Verschlechterung des Störabstandes, d.
h. des Verhältnisses Nutzpegel zu Störpegel. Diese Verschlechterung entsteht dadurch,
daß der bei geringen Modulationsgraden ohnehin kleine Störabstand durch die Verkleinerung
des Trägers noch weiter herabgesetzt wird.
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Es ist auch ein Verfahren zur Amplitudenmodulation mit veränderlichem
Trägerwert bekanntgeworden, bei
dem der Trägerwert bei zunehmendem
Modulationsgrad in Richtung kleiner werdender Beträge gesteuert wird. Die, Steuerung
erfolgt hierbei also in umgekehrter Richtung wie bei der HAPUG-Modulation.
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Bei diesen bekannten Verfahren zur Amplitudenmodulation mit veränderlichem
Trägerwert konnte das Kennlinienfeld und damit die Leistung der Endstufe, insbesondere
bei tragbaren Sendern, nicht ausgenutzt werden, weil der durch die Gittervorspannung
festliegende Arbeitspunkt so gelegt werden mußte, daß die Röhre in den Modulationsspitzen
in keinem vorkommenden Betriebsfall übersteuert wurde. Es mußte also bisher ein
so großer Sicherheitsfaktor einkalkuliert werden, daß durchschnittlich nur die Ausnutzung
der halben zur Verfügung stehenden Aussteuerung des Kennlinienfeldes möglich war.
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Ohne diesen Sicherheitsfaktor kann durch einen größer werdenden Außenwiderstand
eine Halbwelle der niederfrequenten Umhüllenden ganz oder teilweise durch Übersteuerung
an der Grenzkennlinie abgeschnitten werden. Diese Schwankungen des Außenwiderstandes
entstehen insbesondere durch Änderung der Antennenverhältnisse.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wird bei Verfahren zur Amplitudenmodulation
einer Hochfrequenzschwingung, bei der der Trägerwert durch die Amplitude der modulierenden
Niederfrequenz derart gesteuert wird, daß bei zunehmendem Modulationsgrad der Trägerwert
kleiner wird, erfindungsgemäß vorgeschlagen, diese Steuerung auch noch vom Außenwiderstand
der Modulationsröhre oder einer der nachfolgenden Röhren abhängig zu machen.
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Das neue Verfahren hat den Vorteil, daß bei zwei oder mehreren auf
gleicher Welle arbeitenden, aber verschieden modulierten Hochfrequenzsendern die
gegenseitigen Empfangsstörungen weitgehend vermindert werden. Bei einem Sender mit
vorgegebener Spitzenleistung ergibt sich bei Anwendung der neuen Negativ-Trägersteuerung
ebenfalls ein besserer Abstand zwischen Nutz- und Störpegel.
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Weiterhin wird durch die angegebene Trägersteuerung verhindert, daß
bei Sendern, die durch Standortänderung ständig andere Antennenwiderstände vorfinden,
oder bei tragbaren Sendern, deren Antennen ständig ihren Abstand zum Gegengewicht
ändern, Übersteuerungen stattfinden.
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Im folgenden sollen die störmindernde Wirkung und vorteilhaften Anwendungen
des neuen Verfahrens näher erläutert werden.
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Der Versorgungsbereich eines Senders, dessen Trägerfrequenz auch von
einem anderen, mit verschiedenem Programm modulierten Sender benutzt wird, ist begrenzt
durch -die vom Störsender verursachten Übersprechstörungen. Hierbei ist vorausgesetzt,
daß die beiden Trägerfrequenzen so gut übereinstimmen und so konstant sind, daß
keine Interferenz-Pfeiftöne entstehen.
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Solche Übersprechstörungen können z. B. unangenehm auftreten, wenn
die Feldstärke eines weit entfernten und daher am Tage nicht störenden Senders bei
Dunkelheit durch die Raumwelle so ansteigt, daß der Störabstand zum gewünschten
Nutzsender gleicher Frequenz den für störfreien Empfang erforderlichen Mindestwert
unterschreitet. Bei gleichem hochfrequentem Störabstand treten die stärksten Störungen
im allgemeinen dann auf, wenn eine Pause oder eine leise Stelle des Nutzsenderprogrammes
zeitlich mit einer großen Lautstärke des Störsenderprogramms zusammenfällt.
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Die Lautstärke eines Programms ist durch die Amplitude der Niederfrequenzspannung
gegeben, die von der Programmquelle (Funkhaus, Studio) an den Sender geliefert wird
und zur Modulation des Senders dient. Das Verhältnis der augenblicklichen zur maximalen
Amplitude dieser Spannung wird Aussteuerungsgrad des Programms genannt.
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Bei normaler Amplitudenmodulation mit konstantem- Trägerwert ist der
Modulationsgrad des Senders gleich dem Aussteuerungsgrad des Programms. Nach dem
neuen Verfahren der negativen Trägersteuerung wird bei Amplitudenmodulation mit
veränderlichem Trägerwert der Träger so gesteuert, daß er mit abnehmendem Modulationsgrad
zunimmt und entsprechend mit zunehmendem Modulationsgrad abnimmt. Für den größten
möglichen Modnlationsgrad i hat der Träger also einen kleinsten Wert. Die Amplitude
des Trägers wird durch eine Steuerspannung bestimmt. Der Aussteuerungsgrad des Senders
ist das Verhältnis von Augenblickswert zu Maximalwert dieser Spannung.
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Es sei: I" der Scheitelwert des Antennenstromes, It der Scheitelwert
des mittleren Antennenstromes, d. h. des Trägerstromes, Im = I"
- It, in der Modulationsgrad des Senders, Il der Scheitelwert des
Trägerstromes bei m = i, a, der Aussteuerungsgrad des Programmes, a$ der Aussteuerungsgrad
des Senders, p der Trägersteuerungsgrad, d. h. das Verhältnis des Trägerstromes
beim = o zu I1.
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Die verschiedenen Arten der Amplitudenmodulation werden dadurch unterschieden,
daß für die Amplitudenmodulation mit negativer Trägersteuerung der Trägersteuerungsgrad
p > i ist. Bei der bekannten normalen Amplitudenmodulation mit konstantem Träger
ist p = i. Bei der bekannten Amplitudenmodulation mit positiver Trägersteuerung,
der sogenannten HAPUG-Modulation, ist P < i.
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Für den Modulationsgrad gilt allgemein die Beziehung
Bei normaler Amplitudenmodulation mit konstantem Träger ist m = ap
, ' >l ferner I, = Il = konst. und p = i sowie a3 = a, Bei
Amplitudenmodulation mit veränderlichem Trägerwert ist der Trägerstrom abhängig
vom Aussteuerungsgrad des Senders. Diese Abhängigkeit wird durch die Trägerkennlinie
dargestellt und analytisch beschrieben durch die Funktion It = Ii
` f (a') - (3)
Die Rechengröße I,., die man aus Analogiegründen etwa
als vModulationsstromcc bezeichnen kann, ist
proportional dem Aussteuerungsgrad
a, und wird bei maximaler Aussteuerung (a, = i) gleich Il, es ist also
,In =Il'as# (4)
Durch Einsetzen von Gleichung (3) und Gleichung (4)
in Gleichung (i) ergibt sich
Es sollen jetzt die Vorgänge auf der Empfangsseite betrachtet werden.
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Bei linearer Demodulation und konstanter Verstärkung im Empfänger
ist dessen Ausgangsspannung (Lautstäxkel in erster Näherung proportional der empfangenen
Seitenbandamplitude, d. h. dem Produkt aus Trägeramplitude und Modulationsgrad.
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Bei schwundgeregelten Empfängern wird die Verstärkung mit zunehmender
Trägeramplitude herabgesetzt. Bei idealer Schwundregelung,-die innerhalb gewisser
Grenzen vorausgesetzt sei, ist die Verstärkung umgekehrt proportional der Trägeramplitude
und daher die Lautstärke von der Trägeramplitude unabhängig und proportional dem
Modulationsgrad.
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Damit durch die Trägersteuerung keine Dynamikverzerrung eintritt,
ist es also erforderlich, daß der Modulationsgrad im Vergleich zur normalen Amplitudendemodulation
unverändert bleibt und nach Gleichung (2) dem Aussteuerungsgrad des Programms entspricht.
Demnach ergibt sich aus den Gleichungen (2) und (5)
Der Aussteuerungsgrad des Senders a, ist also ein anderer als der des Programms
ap. Die Umwandlung von a-, in a" erfolgt in einem Dynamikwandler (Kompressor), dessen
Kennlinie möglichst genau der Gleichung (6) entsprechen soll.
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Die störmindernde Wirkung der Trägersteuerung beruht bei schwundgeregelten
Empfängern, also bei schätzungsweise 8o °/o aller im Betrieb befindlichen Geräte,
darauf, daß die Schwundregelung des Empfängers auf den Träger des Nutzsenders anspricht,
während der Träger des Störsenders ohne Einfluß ist. Ein befriedigender Empfang
ist nur dann möglich, wenn die Feldstärke des Nutzsenders mindestens etwa das 3ofache
der Störfeldstärke beträgt.
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Bei leisen Stellen, d. h. niedrigem a" wird der Träger hochgesteuert;
dementsprechend setzt die Schwundregelung die Verstärkung des Empfängers herab.
Dadurch würde die Lautstärke* des Gemisches »Nutzprogramm + Störprogramm«
gleichmäßig verringert werden, also das Störverhältnis unverändert bleiben, wenn
nicht für das Nutzprogramm durch denDynamikwandler die Lautstärkeminderung gerade
kompensiert würde. Es erfolgt somit nur für das Störprogramm eine Lautstärkeminderung
und damit eine Verminderung des Störverhältnisses Störlautstärke : Nutzlautstärke.
Bei der negativen Trägersteuerung ist demnach ein Dynamikwandler zur Störminderung
notwendig. Die Anwendung von Kompressoren bei normaler Amplitudendemodulation ist
bekannt, doch muß dabei die erzielte Empfangsverbesserung mit einer Dynamikverzerrung
erkauft werden. Eine Dynamikverzerrung unter gleichzeitiger Störminderung ergibt
sich auch, wenn der trägergesteuerte Sender mit einem Gerät ohne Schwundregelung
empfangen wird, doch ist bei einem solchen die Empfangsqualität ohnehin meist gering.
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In Fig. i ist der zeitliche Verlauf des Antennenstromes bei moduliertem
(Fig. i a) und urmoduliertem (Fig. i b) Betrieb bei normaler Amplitudenmodulation
dargestellt. Die bereits behandelten Größen I", It, I m sind eingezeichnet.
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Die Fig. 2 veranschaulicht beispielsweise für verschiedene Arten der
Amplitudenmodulation die Abhängigkeit des Antennenstromes I", des Trägerstromes
It und des »Modulationsstromesa Im vom Aussteuerungsgrad a, des Senders bei
verschiedenen Trägerkennlinien, die gemäß Gleichung (3) durch die Funktion f (a,)
beschrieben werden.
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Der Verlauf dieser Kennlinien kann beliebig sein, nur für a, = o und
für a, = i sind durch die Definition von und Il die Werte von f (a3) vorgeschrieben,
nämlich " f(o)=p und f(i)=i.
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Diese Bedingungen werden z. B. durch die Funktion f (a') = i + (i
- a.,)7,- i) (%) erfüllt. Durch Variation der Koeffizienten P und n ergeben sich
die verschiedensten Trägerkennlinien, von denen einige mögliche dargestellt sind.
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Die Fig. 2 a zeigt die bekannte normale Amplitudenmodulation mit konstantem
Träger. Der Scheitelwert des Antennenstromes I" steigt. linear mit dem Aussteuerungsgrad
des Senders a, an. Hier ist p=i; f(as)=i; It=h, In Fig. 2b ist eine Amplitudenmodulation
mit der neuen negativen Trägersteuerung mit gerader Kennlinie der Trägersteuerung
wiedergegeben. Der urmodulierte Träger ist dreimal so groß wie der vollmodulierte
Träger. Der Scheitelwert des Antennenstromes IQ. nimmt linear mit a, ab. Hier ist
P=3; n=i; f(as)=i+(i-as)-2.
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In Fig. 2 c ist eine neue Amplitudenmodulation mit gekrümmter Kennlinie
der Trägersteuerung dargestellt. Hier ist P=3; n=6; f(as)=i+(i-as)8.2. Der urmodulierte
Träger ist dreimal so groß wie del vollmodulierte Träger. Der Scheitelwert des Antennenstromes
I" nimmt zunächst mit steigendem a3 steil ab, durchläuft ein Minimum und nimmt dann
wieder zu. Da der Aussteuerungsgrad von Rundfunkprogrammen im Durchschnitt nur 20
... 30 % beträgt, erscheint es zweckmäßig, auch mit Rücksicht auf
die Störungen in fernen Gebieten, die Steilheit der Trägerkennlinie im. hauptsächlich
benutzten Teil
zwischen a, = o und a, = o,2 . . . 0,3 am größten
zu machen, um die neue negative Trägersteuerung voll auszunutzen. Mit zunehmendem
a. nähert sich die Kennlinie derjenigen für normale Amplitudenmodulation.
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Fig. 2,d zeigt ein Beispiel für die sogenannte HAPUG-Modulation.
Hier ist P = 0,9,5; n = i. Bei dieser Modulation wird der Träger zur Leistungsersparnis
mit abnehmendem Senderaussteuerungsgrad a, verringert. Dabei ist f (as) =
i - (i - as) 0,75. Der unmodulierte Träger ist o,25mal so groß oder 4mal so klein
wie der vollmodulierte Träger. Diese bekannte Anwendung der Trägersteuerung wurde
bereits erwähnt.
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In Fig. 3 ist beispielsweise das Blockschaltbild der Endstufen eines
Senders dargestellt, dessen Träger nach dem neuen Verfahren negativ in Abhängigkeit
vom Aussteuerungsgrad a, gesteuert wird. Dem Eingang i des Hochfrequenzverstä.rkers
2 wird .eine Hochfrequenzspannung zugeführt, die in üblicher Weise von einem Steuersender
eventuell mit Frequenzvervielfachung erzeugt wurde. Dem Eingang 3 des Niederfrequenz-Vorverstärkers
q. wird von der Programmquelle die niederfrequente Modulationsspannung zugeführt,
deren Amplitude vor und nach der Vorverstärkung proportional dem Aussteuerungsgrad
a, des Programms ist. Im Dynamikwandler 5 erfolgt die Umwandlung dieser Modulationsspannung
in die vkomprimierte« Modulationsspannung, die proportional as ist und aus der die
Trägersteuerspannung abgeleitet wird. Zu diesem Zweck wird sie zunächst im Gleichrichter
6 gleichgerichtet, um eine pulsierende Gleichspannung zu gewinnen, die proportional
der mittleren Amplitude, also dem Mittelwert von a, ist. Die Spannung zur Trägersteuerung
kann auch in ^" @n Leitungen, durch die ein im Rhythmus der ni _arfrequenten Umhüllenden
pulsierender Strom .aeßt, z. B. durch ein RC-Glied gewonnen werden. Zur Gewinnung
der Spannung für die Trägersteuerung können auch beide Verfahren gemeinsam angewendet
werden. Die Niederfrequenz selbst wird durch den Tiefpaß 7 unterdrückt, so daß am
Ausgang 8 dieses Tiefpasses nur die mit niedriger Frequenz pulsierende Gleichspannung
übrigbleibt. In der Steuerstufe g wird nun die am Eingang io zugeführte verstärkte
Hochfrequenz durch die am Eingang 8 zugeführte pulsierende Gleichspannung in der
Amplitude gemäß der gewählten Trägersteuerkennlinie moduliert. Am Ausgang ii ist
der mit der mittleren Amplitude der Niederfrequenz amplitudenmodulierte Träger vorhanden,
der in der Modulationsstufe 12 durch die über den Modulationsverstärker 13 zugeführte
Niederfrequenz in üblicher Weise amplitudenmoduliert wird. Die Modulationsstufe
12 unterscheidet sich nicht von einer normalen Modulationsstufe, ihr wird über die
Leitung ii die Hochfrequenz und über die Leitung 1q. die Niederfrequenz zugeführt.
Die modulierte Hochfrequenz wird über die Leitung 15 entnommen. Mit oder ohne weitere
Verstärkung wird diese modulierte Hochfrequenz der Antenne 16 zugeführt. Die Fig.
q. zeigt beispielsweise eine andere Möglichkeit der Schaltung des Dynamikwandlers
5. Die Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 3. In dieser Anordnungerfolgt
dieTrägersteuerung durch eine Steuerspannung, die dem Mittelwert von a" proportional
ist. In Gleichung (3) muß also a, durch a" ersetzt werden und die Kennlinie des
Dynamik wandlers [vgl. Gleichung (6)], lautet nunmehr: a, = a.
' f (a"). Je nach der Realisierbarkeit der sich gegenseitig bedingenden Kennlinien
der Trägersteuerung und des Dynamikwandlers kann die Schaltung nach Fig.3 oder nach
Fig. q. günstiger sein, grundsätzlich sind sie gleichwertig.
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Mit geringstem Aufwand kann das neue Verfahren der negativen Trägersteuerung
bei Sendern angewandt werden, deren Leistung aus Gründen der Störung in einem anderen
Sendebereich nicht voll ausgenutzt werden kann. In diesem Falle sind nur die Kosten
für die Regelgeräte, und zwar für den Dynamikwandler 5, den Gleichrichter 6, den
Tiefpaß 7 und die Steuerstufe g, aufzubringen. Wenn keine Leistungsreserve zur Verfügung
steht, ist eine Vergrößerung der Senderleistung erforderlich und zu prüfen, ob diese
durch den Gewinn an störungsfreiem Empfangsgebiet lohnend ist. Der beste Erfolg
wird erzielt, wenn sowohl der Nutzsender als auch der Störsender gleichzeitig die
neue Modulationsart anwenden.
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Bei Sendern großer Nennleistung kann die neue Modulationsart auch
zur Minderung dieser Nennleistung bei großen Modulationsgraden verwendet werden.
Bei unverminderter Empfangsqualität im eigenen Versorgungsbereich werden hierbei
nicht nur die Störungen an fernen Orten verringert, sondern auch Betriebskosten
gespart.
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Bei Kleinstsendern ergibt sich eine Reichweitenerhöhung des Gerätes
durch Ausnutzung der Leistungsröhre und der Stromversorgung bis zur Grenze ihrer
Ergiebigkeit während der gesamten Betriebsdauer und bei allen Modulationsgraden
von m = i bis m = o. Dies hat zur Folge, daß die Trägerleistung in den Modulationspausen
mindestens den vierfachen Wert der Leistung bei voller Modulation (m = i) annimmt.
Wenn ein nichtgeregelter Träger ohne Nutzmodulation im . Empfänger durch Rauschen,
Zündkerzenstörungen, atmosphärische Störungen usw. mit einem bestimmten Störmodulationsgrad
behaftet ist, so verringert sich bei negativer Trägersteuerung gemäß der Erfindung
dieser Modulationsgrad entsprechend dem Grad der Trägererhöhung. Liegt ein ideal
geregelter Empfänger vor, so verringert sich auch dessen Ausgangsstörspannung linear
mit der Verringerung des Störmodulationsgrades. Die Verständlichkeit wird durch
die Verringerung der Störungen in den Modulationspausen oder bei gleicher Verständlichkeit
mit und ohne Trägersteuerung die Reichweite erhöht.
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Die neue negative Trägersteuerung läßt sich gleichzeitig vorteilhaft
dazu benutzen, den Klirrfaktor bei tragbaren gitter- oder vorstufenmodulierten Sendern
herabzusetzen. Dieser Klirrfaktor entsteht durch Schwankungen des Außenwiderstandes,
die durch
Belastungsänderungen infolge des Schwankens der Antenne
beim Tragen und durch den Betrieb mit verschiedenen Antennenlängen bedingt sind.
Demnach können bei Sendern, deren Standorte öfters gewechselt werden müssen, betriebsbedingte
Fehlanpassungen durch die negative Trägersteuerung ausgeglichen werden, indem man
den Einsatz und den Grad der negativen Trägersteuerung außer vom Modulationsgrad
auch vom Außenwiderstand Ra der Endstufenröhre abhängig macht. Eine vom Außenwiderstand
Ra abhängige zusätzliche Regelspannung , steuert ein Gitter der Endstufenröhre mit
größer werdendem Außenwiderstand negativ, so daß die Modulationsspitzen die Grenzkennlinie
der Röhre nicht überschreiten können. Die Regelspannung kann außer von einem besonderen
Gleichrichter auch durch den Steuergitterstrom der Endstufe erzeugt werden. Die
Endstufe kann als Gittermodulator oder als HF-Verstärker bei Vorstufenmodulation
betrieben werden. Zwangläufig ist mit dieser Herabsetzung des Klirrfaktors eine
Verbesserung des Stör-Nutz-Verhältnisses und der Reichweite verbunden.
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Zusammenfassend ist zu sagen, daß man zwei vorteilhafte Anwendungen
der Erfindung unterscheiden kann. Im ersten Fall wird der Sender im üblichen Arbeitspunkt
betrieben. Wird nun der Arbeitswiderstand zu groß und rückt somit der Arbeitspunkt
zu weit in Richtung positiver Gitterspannung an die Grenzkennlinie heran, so wird
durch eine vom Arbeitswiderstand abhängige Regelspannung die Gittervorspannung im
Takte der Niederfrequenz in den negativen Bereich zurückgeschoben. Dies ist eine
reine Sicherheitsmaßnahme. Im zweiten Fall wird der Sender entsprechend der negativen
Trägersteuerung und zur Erhöhung von Störabstand und Reichweite bei einem Modulationsgrad
von m Pe o bis zur Grenzkennlinie ausgesteuert. Dann wird hier der Träger sowohl
bei zunehmendem Modulationsgrad als auch bei zunehmendem Außenwiderstand heruntergesteuert,
so daß die Seitenbänder immer verzerrungsfrei übertragen werden können. In beiden
Fällen ist also der Regelgrad und die Regelsteilheit vom Außenwiderstand abhängig.