DE958129C - Modulationssystem - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM U. FEBRUAR 1957

W15433 Villa/21 a*

ist als Erfinder genannt worden

Modulationssystem

Die Erfindung betrifft Trägerfrequenz-Signalübertragungssysteme, insbesondere Modulationsanordnungen für solche Systeme.

Die Erfindung befaßt sich speziell mit Verbesserungen von Umschaltmodulatoren., wie sie in Trägerfrequenz-Signalübertragungssystemen zum Modulieren eines hochfrequenten Trägers mit einem Signal verwendet werden, das ein Band von Frequenzen umfaßt, z.B. die Videofrequenzen eines Fernsehsignals, um eine mit einem Signal modulierte Trägerschwingung für die Übertragung zu erzeugen oder um das Trägerfrequenzspektrum einer solchen mit einem Signal modulierten Trägerschwingung in das ursprüngliche Band der Signalfrequenzen zurückzuführen. Als Umschaltmodulator kann ein Modulator definiert werden, der geeignet ist, ein Eingangssignal mit den Faktoren ι, ο und —ι zu multiplizieren. Ein Beispiel ist der übliche doppelt symmetrische oder Ringmodulator. Ein solcher Modulator ist, wenn er mit einem ad Trägersignal ausreichender Amplitude betrieben wird, geeignet, einen Ausgang hervorzubringen, der abwechselnd mit den Faktoren + 1 oder —r multipliziert ist. Die Wirkung der Trägerschwingung besteht bei einem solchen Modulator einfach darin, daß die Polarität der angelegten Signal-

schwingung entsprechend dem Polaritätswechsel der Trägerschwingung umgekehrt wird. Dieser Modulator arbeitet infolgedessen so, daß er ein Eingangssignal der Frequenz V mit einer Rechteckschwingungsfunktion multipliziert, welche die Periode der besonderen Trägerfrequenz C aufweist. Da die Rechteckschwingung alle ungeraden harmonischen Vielfachen der Trägerfrequenz enthält, ergibt ihre Multiplikation mit dem Eingangssignal eine Ausgangsschwingung, welche die Modulationsprodukte C ±V, 2>C ±V, $C ±V usw. enthält.

Eine allgemeine Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung eines Umschaltmodulators, insbesondere in bezug auf die Verhinderung der Erzeugung von unerwünschten Modulationsprodukten der an seine Signalträgereingänge angelegten Schwingungen.

Eine speziellere Aufgabe besteht darin, in einfächer und wirtschaftlicher Weise am Ausgang eines Umschaltmodulators gewisse unerwünschte Modulationsprodukte höherer Ordnung der Schwingungen zu beseitigen, die an seine Signal- und Trägereingänge angelegt werden, ohne die gewünschten, am Ausgang des Modulators erscheinenden Modulationsprodukte dieser Schwingungen übermäßig zu beeinflussen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch geeignete Beeinflussung der Schwingungsform der Modulationsfunktion des Umschaltmodulators erfüllt, z. B. durch Verwendung bekannter Impulserzeugungs- und Formungseinrichtungen, um die Schaltfunktion des Modulators aus einer Rechteckschwingung in eine Reihe von in Abständen befindliehen Impulsen umzuwandeln, so daß die zu unterdrückenden Harmonischen oder Modulationsprodukte wirksam aus der Modulationsfunktion entfernt sind. Die Impulsformungseinrichtungen zur Erreichung dieses Zieles können z. B. aus einem geeignet betätigten »Steuer«-Kreis bestehen, der in Reihe mit dem Signaleingangskreis oder dem Signalausgangskreis des Modulators liegt und· als zusätzliche Modulationsstufe wirkt oder der in Reihe mit dem Trägereingangskreis des Modulators liegt.

Andere bekannte Verfahren zur Entfernung unerwünschter Modulationsprodukte aus dem Ausgang eines Umschaltmodulators umfassen geeignete Beeinflussung der Gleichstromvorspannung an den Varistoren des Modulators oder Erzeugung der unerwünschten Produkte in einem getrennten gleichen Modulator und die Anlegung des Ausgangs dieses zweiten Modulators an den Ausgang des ersten Modulators mit solcher Amplituden- und Phasenbeziehung, daß die unerwünschten Modulationsprodukte wirksam beseitigt werden. Das Verfahren der Erfindung unterscheidet sich von diesen früheren Verfahren wesentlich dadurch, daß es einen Multiplikationsvorgang an Stelle der üblichen Additionsvorgänge anwendet, wie sie bei den früheren Verfahren benutzt wurden.

Darüber hinaus sind die Beweglichkeit und Anpassungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens derart, daß eine Mehrzahl ausgewählter unerwünschter Modulationsprodukte durch Anlegung aufeinanderfolgender getrennter Steuerfunktionen an das Moduliersystem in einer einfachen und unkomplizierten Weise entfernt werden, und zwar ohne Rücksicht auf Amplituden- und Phaseneinstellungen und ohne Anwendung von Filtern.

Die verschiedenen Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden an Hand der folgenden ins- einzelne gehenden Erläuterung im Zusammenhang mit den Zeichnungen besser verständlich werden.

Fig. ι zeigt schematisch die Schaltung einer Form des Umschaltmodulators, bei der die Erfindung angewendet werden kann;

Fig. 2 a bis 2 d zeigen eine Gruppe von Kurven, die verschiedene idealisierte Schwingungsformen darstellen, von denen im Zusammenhang mit der folgenden ins einzelne gehenden Erläuterung der erfindungsgemäßen Modulationsanordnung Gebrauch gemacht wird, um zu erklären, wie die einzelnen Elemente der Anordnung zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses arbeiten;

Fig. 3 zeigt schematisch eine einfache Art von Steuerkreis, der bei der erfindungsgemäßen Modulationsanordnung verwendet werden kann, um die gewünschte Beeinflussung der Modulationsfunktion hervorzubringen;

Fig. 4 bis 6 zeigen in Blockform drei verschiedene Wege, wie ein Steuerkreis erfindungsgemäß mit einem Umschaltmodulator kombiniert werden kann, um die Aufgaben der Erfindung zu erfüllen

Eine bekannte Form eines Umschaltmodulatort., auf den die Erfindung angewendet werden kann, ist in Fig. ι dargestellt. Er wird gewöhnlich als doppelt symmetrischer oder Ringmodulator bezeichnet. Wie angegeben, enthält er einen Eingangstransformator i, einen Ausgangstransformator 2 und vier Varistoren 3, 4, 5 und 6, die in Brückenanordnung zwischen die beiden Transformatoren geschaltet sind. Die in diesem Modulator durch Modulation zu kombinierenden Signal- und Träger schwingungen werden an den Modulator konjugiert zueinander angelegt, indem ihre Quellen in angegebener Weise über die Wicklungen der beiden Transformatoren an verschiedene Diagonalen der Brücke angeschlossen werden. Die Modulationsprodukte der kombinierten Schwingungen werden über den Ausgangstransformator 2 abgenommen. Da der Modulator so arbeitet, daß das Eingangssignal mit der Frequenz V mit einer Rechteckschwingungsfunktion multipliziert wird, welche die Periode der besonderen Trägerfrequenz C aufweist, und da die Rechteckschwingung alle ungeraden Vielfachen der Trägerfrequenz enthält, weist die Ausgangsschwingung die Modulationsprodukte C ± V, 3 C ± V, S C + V usw. auf, von denen einige in unerwünschter Größe vorhanden sein können und wenigstens im Fall der Fernsehübertragung eine beträchtliche iao Bildverzerrung wegen der Überlappung zwischen den tiefen Frequenzen im dritten harmonischen Spektrum mit den hohen Frequenzen des Grundspektrums ergeben können.

Die Art und Weise, wie die unerwünschten Mo- i*j dulationsprodukte höherer Ordnung (z. B. dritter

Ordnung) wirksam aus dem Ausgang dieses Modulators erfindungsgemäß entfernt werden können, ohne Filter zu gebrauchen, kann am besten durch die folgende mathematische Untersuchung mit Bezug auf die Kurven der Fig. 2 erklärt werden, wobei die Diskussion auf Modulationseinrichtungen beschränkt wird, die mit den Faktoren i,o und — ι multiplizieren.

Es sei eine Rechteckspannungsschwingung betrachtet, wie sie bei E₁ in Fig: 2 a gezeichnet ist. Diese Schwingung kann durch eine Fourierreihe dargestellt werden, deren Glieder die Form

,c — cos nx (i)

haben, wobei η = ι, 3, S> 7 ^usw· ^{ist nn}^ ^x &£■ zeitliche Winkelverschiebung der Grundwelle von ihrem Anfangspunkt bedeutet. Diese Schwingung

enthält alle ungeraden Harmonischen der Grundfrequenz. Wenn es gewünscht wird, die Erzeugung von Produkten höherer Ordnung im Ausgang eines Umschaltmodulators zu verhindern, muß offensichtlich das Eingangssignal mit einer Schwingung multipliziert werden, welche die besondere Harmonische nicht enthält. Wenn insbesondere die dritte Harmonische beseitigt werden soll, darf die multiplizierende Schwingung die dritte Harmonische nicht enthalten.

Es sei die bei E₂ in Fig. 2 b angegebene Spannungsschwingung betrachtet, die aus einer Reihe von Impulsen besteht, welche durch eine Fourierreihe dargestellt ist, deren Glieder die Form

— sin π mk cos mx m

(2)

haben, wobei m eine ganze Zahl i, 2, 3, 4, 5, 6 usw. ist. Es ist offensichtlich, daß diese Schwingung keine dritte Harmonische enthält, wenn die Bedingung sin 3 π k = O erfüllt ist, die fordert, daß 2 π k gleich 6o°, 120⁰ usw. ist. Wenn daher zwei solche Schwingungen in entgegengesetzter Polarität mit einer Phasenverschiebung der Grundfrequenz von l8o° addiert werden, erhält man eine Spannungsschwingung von der Form E₃, die in Fig. 2 c dargestellt ist, bei der alle geraden Harmonischen entfernt, aber die ungeraden Harmonischen vorhanden sind.

Somit kann die Schwingung E₃ durch eine Fourierreihe dargestellt werden, deren Glieder die Form

— sin η π k cos nx
η

(3)

haben, wobei η = ι, 3, 5, 7 usw. ist. Wenn der Wert k so gewählt wird, daß die dritte Harmonische entfernt ist, liefert die Multiplikation dieser Schwingungsform E₃ mit dem Eingangssignal ein Ausgangsprodukt, das die Komponente 3 C + V nicht enthält, jedoch die gewünschte Komponente C + V. Diese Schwingungsform kann durch verschiedene Impulserzeugungs- und Formungskreise erhalten werden. Wenn z. B. der Ausgang des Rechteckschwingungsmodulationsvorgangs miteiner »Steuer«-Funktion, wie sie bei £₄ in Fig. 2 d gezeichnet ist, multipliziert wird, wird der Gesamtmodulationsvorgang durch die Multiplikation des Eingangesignals mit der bei E_s in Fig. 2 c gezeichneten Funktion dargestellt. Mit Steuerkreis ist ein Kreis bezeichnet, der ein gegebenes Eingangssignal entsprechend der Amplitude eines angelegten Steuersignals mit O oder 1 multipliziert. Somit ist die Übertragung oder NichtÜbertragung des Eingangssignals auf einen Belastungskreis nur durch das Steuersignal bestimmt. Um einen Ringmodulator ohne 3 C + V-Ausgang physikalisch zu verwirklichen, muß daher der Modulator mit einem geeignet betätigten Steuerkreis mit der bei E₄ in Fig. 2d idealisiert gezeichneten Form kombiniert werden. Dieser Steuerkreis kann z. B. die-einfache, in Fig. 3 gezeichnete Form mit zwei Varistoren 7 haben, so daß er sich nur dadurch von dem Ringmodulator der Fig. 1 unterscheidet, daß die beiden Parallelvaristoren 4 und 6 weggelassen sind, wobei 8g die Impedanzwerte der verbleibenden, in Fig. 3 mit 7 bezeichneten Varistoren durch ein Trägersignal in ganz der gleichen Weise wie bei dem Ringmodulator über eine geeignete Impulserzeugungs- und Formungseinrichtung, die durch das Kästchen 8 angedeutet ist, gesteuert werden, um eine Schwingung mit der bei E₄ in Fig. 2 d gezeichneten Form zu erzeugen. Die Impulserzeugungs- und Formungseinrichtung 8 im Steuerkreis der Fig. 3 kann z. B. aus einem Kreis zur Gleichrichtung der Trägerschwingung mit der Frequenz C bestehen, welcher die gleichgerichtete Schwingung über einen Transformator an eine aus Reihendiode und Vorspannungsbatterie bestehende Kombination anlegt, welche nur die Spitzen der gleichgerichteten Trägerschwingung überträgt. Die Gleichrichtungsmittel können als Vollweggleichrichterbrücke mit vier Varistoren ausgebildet sein, und die Reihendiode kann in gleicherweise aus einem Varistor bestehen. Der resultierende Ausgang besteht aus einer Reihe intermittierender Impulse, welche die in Fig. 2 d gezeigte allgemeine Form aufweisen und mit der doppelten Grundwellenfrequenz wiederkehren. Diese Impulse werden an den Steuerkreis der Fig. 3 so angelegt, daß die gewünschte Steuerwirkung an dem Eingangssignal V zustande kommt.

Andere Impulserzeugungs- und Formungseinrichtungen der Multivibrator- oder Sperrschwingerform, die sich zur alternativen Verwendung in dem Steuerkreis der Fig. 1 eignen, sind in einem im Jahre 1949 veröffentlichten Buch mit dem Titel »Wave Forms« von Chance u. a. (Bd. 19 der M. I. T. Radiation Laboratories Series) geschildert.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen als Blockschema drei alternative Wege zur Kombination eines Umschaltmodulators M und eines Steuerkreises G, wie er in Fig. 3 gezeichnet ist, um das Modulationsprodukt 3 C + V aus dem Ausgang des Modulators zu entfernen. In Fig. 4 ist der Steuerkreis G, der so eingerichtet ist, daß er die an seinem Eingang angelegte Schwingung unter dem Einfluß des Trä-

gers C in die bei E₁ in Fig. 2 d gezeichnete Form verwandelt, in den Signaleingang zum Modulator M₁ der mit der gleichen Trägerschwingung versorgt wisrd, eingeschaltet dargestellt und in Fig. 5 im Signalausgang vom Modulator M. Da die gewünschte Funktion das Produkt des Eingangssignals mit der S teuer funktion und der Trägerrechteckschwingung ist, bedeutet es keinen Unterschied, in welcher Reihenfolge die drei Faktoren multipliziert werden. Infolgedessen kann der Steuerkreis ohne Beeinträchtigung der Gesamtarbeitsweise des Kreises an jeder Seite des Modulators angeordnet werden. DieTätigkeit des Steuerkreises G ist nicht derjenigen eines Filters analog, sie stellt vielmehr eine zusätzliche Modulationsstufe dar. Da durch die Einschaltung des Steuerkreises das Produkt der Rechteckschwingung und des Eingangssignals mit einer komplexen Schwingung von einer Grundfrequenz 2 C multipliziert wird, enthält die Reihe der Ausgangsprodukte dieses zweistufigen Modulationsvorgangs in dem oben beschriebenen Fall nicht das Produkt 3 C ± V. Andererseits kann der Steuerkreis G im Trägereingang zum Modulator M liegen, wie in Fig. 6 anas gegeben ist.

Es ist wohl offensichtlich, daß mit Hilfe der oben geschilderten allgemeinen Aufbautechnik das Verfahren der Erfindung so erweitert werden kann, daß andere Modulationsprodukte oder sogar Gruppen von Produkten aus dem Ausgang eines Umschaltmodulators entfernt werden können. Zum Beispiel können mehrere Steuerkreise hintereinandergeschaltet werden, um mehrere verschiedene Modulationsprodukte zu entfernen. Verschiedene andere Abänderungen der dargestellten und beschriebenen Kreise, die dem Wesen und Ziel der Erfindung entsprechen, werden dem mit dem Stand der Technik vertrauten Fachmann einleuchten.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Umschaltmodulator, bei dem gewisse unerwünschte Modulationsprodukte im Ausgang unterdrückt werden, wobei die Eingangssignalschwingungen an eine Diagonale der Modulatorbrücke angeschlossen sind, die in den entsprechenden Zweigen nicht lineare Impedanzelemente enthält, und wobei eine Trägerschwingungsquelle an die andere Diagonale der Modulatorbrücke angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulse erzeugender Steuerkreis in Reihe mit einem der Kreise für Signaleingang, Trägefeingang oder Signalausgang des Modulators geschaltet ist, wobei die Schwingung des Steuerkreises durch eine Fourierreihe dargestellt werden kann, deren Glieder die Form

   — sin π nk cos nx
   η

   haben, wobei η ι oder eine ungerade Zahl ist, χ die zeitliche Winkelverschiebung der Grundwelle von ihrem Anfangspunkt bedeutet und der Wert von k so gewählt ist, daß die unerwünschte Harmonische, z. B. die dritte Harmonische, entfernt wird.
2. 2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Steuerkreise in Reihe mit einem der Signaleingangs-, Trägereingangsoder Signalausgangskreise des Modulators angeschlossen sind und daß jeder Steuerkreis so eingestellt ist, daß er eine spezielle unerwünschte Harmonische entfernt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschriften Nr. 830674, 861872; USA.-Patentschrift Nr. 2 233 860.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 609 580/330 8.56 (609 797 2. 57)