DE971565C

DE971565C - Schaltungsanordnung fuer frequenzmodulierte Wellen

Info

Publication number: DE971565C
Application number: DES32069A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr-Ing Hoelzler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1953-02-05
Filing date: 1953-02-06
Publication date: 1959-02-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für frequenzmodulierte Wellen, bei der in einem von den Wellen durchlaufenen Gerät, z. B. einem Zwischenfrequenzverstärker, zum Zwecke einer den Frequenzhub der Wellen reduzierenden Gegenkopplung eine Rückführung eines Teiles der frequenzmodulierten Wellen vom Geräteausgang zum Geräteeingang vorgesehen ist.
Schaltungsanordnungen dieser Art werden beispielsweise bei mit Frequenzmodulation arbeitenden Sendern und Empfängern zur Reduzierung nichtlinearer Verzerrungen der zu übertragenden Nachricht benötigt. Die nichtlinearen Verzerrungen beruhen dabei im wesentlichen auf der Krümmung der Arbeitskennlinien der Frequenzmodulatoren und der Diskriminatoren sowie auf Phasen- bzw. Laufzeitverzerrungen in den von den Wellen durchlaufenen Schaltungsabschnitten. Man kann zwei Gruppen derartiger Schaltungsanordnungen unterscheiden. Die eine Gruppe der Anordnungen macht von einer Demodulation der frequenzmodulierten Wellen am Ausgang des Schaltungsteiles Gebrauch und benutzt die wiedergewonnene niederfrequente Nachricht zu einer derartigen Steuerung des Überlagerungsoszillators einer am Eingang des Schaltungsteiles befindlichen Mischstufe, daß der Frequenzhub der dem Eingang des Schaltungsteiles zugeführten Wellen reduziert wird. Das ist insofern nachteilig, als beispielsweise bei der Demodulation störende Phasenverzerrungen unvermeidbar sind und außerdem große Schwierigkeiten bestehen, die Anordnung so einzustellen, daß eine Selbsterregung üblicher Art vermieden wird. Die andere Gruppe von Anordnungen vermeidet vor allem den Nachteil zusätzlicher

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störender Phasenverzerrungen dadurch, daß auf eine Demodulation verzichtet wird und beispielsweise vom Ausgang des mit der Gegenkopplung versehenen Schaltungsteiles die Zwischenfrequenz nach einer Vervielfachung zur Steuerung eines Überlagerungsoszillators benutzt wird, der die Überlagerungsspannung für eine im Eingang des Schaltungsteiles vorgesehene Mischstufe liefert, derart, daß eine Reduzierung des Frequenzhubes eintritt. Zusätzlich ίο werden bei diesen Anordnungen meist noch ein Amplitudenbegrenzer und ein die gewünschte Harmonische der Zwischenfrequenz ausfilterndes Frequenzsieb eingeschaltet. Obwohl die Anordnungen dieser Art theoretisch von den Mangeln der Anordnungen frei zu sein scheinen, die mit Demodulation arbeiten, zeigt sich jedoch in der Praxis, daß trotz allem noch störende Verzerrungen auftreten, deren Ursache nicht ohne weiteres erkennbar ist. Besonders störend wirkt sich dies vor allem dann aus, wenn die Schaltungsanordnung beispielsweise in einem mit Frequenzmodulation arbeitenden Richtfunksystem Anwendung findet, daß der Übertragung größerer Bündel von Nachrichtenkanälen, wie Sprachkanälen, dient. Dort führen nämlich geringste Verzerrungen zu oftmals untragbarem Übersprechen zwischen den einzelnen Nachrichtenkanälen. Es wird deshalb in der Praxis bisher die Frequenzgegenkopplung praktisch nicht angewendet und statt dessen der teilweise extrem große Aufwand einer Laufzeitkompensation in den einzelnen Schaltungsabschnitten derartiger Geräte angewendet und beispielsweise in Zwischenstationen der Übergang auf die niederfrequente Lage soweit als möglich vermieden.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der einleitend beschriebenen Art hinsichtlich der erwähnten Schwierigkeiten wesentlich zu verbessern. Es handelt sich hierbei demnach um eine Schaltungsanordnung der zweiten Gruppe.

Gemäß der Erfindung werden zur Lösung dieser Aufgabe in dem für die Kompensation von nichtlinearen Verzerrungen des Gerätes bemessenen Gegenkopplungszweig Netzwerke vorgesehen, die allein für innerhalb des Durchlaßbereiches des frequenzselektiven Netzwerkes gelegene kritische Modulationsfrequenzen, bei denen eine Verfälschung der Gegenkopplung in eine Mitkopplung auftreten kann, den Frequenzhub des rückgeführten Anteils der frequenzmodulierten Wellen auf Null reduzieren. Es wird hierbei von der Erkenntnis ausgegangen, daß im Gegenkopplungsweg vor allem bei der Verwendung von Frequenzsieben eine zusätzliche Phasendrehung auftreten kann, die die ursprüngliche Gegenkopplung in eine Mitkopplung verfälscht. Das wirkt sich dann, wie die der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen gezeigt haben, dahingehend aus, daß der Frequenzhub für eine bestimmte Modulationsfrequenz sehr groß wird, praktisch also eine Selbsterregung im Sinne einer Frequenzhubvergrößerung eintritt. Dies ist offenbar So die Ursache für die Verzerrungen bei den bekannten Schaltungsanordnungen der zweiten Gruppe. Durch die Einschaltung des den Frequenzhub für die eine bestimmte Modulationsfrequenz gegen Null vermindernden Netzwerkes wird somit die Schwingneigung — denn also solche ist der Vorgang anzusprechen, auch wenn es sich um eine gänzlich andere Anfachung als in den bisher üblichen Systemen handelt — unterbunden.

Für ein Netzwerk, welches den Frequenzhub so beeinflußt, daß zwar eine Gegenkopplung erreicht, aber eine Schwingneigung vermieden wird, wird vorzugsweise eine Anordnung gewählt, die aus wenigstens zwei, der Zusammenführung einer frequenzmodulierten Schwingung mit der gleichen, um die Laufzeit τ₀ verschobenen Schwingung dienenden parallelen Zweigen besteht. Die Zweige sind derart bemessen, daß beim Zusammenfügen der beiden Schwingungen der mittleren Frequenz (f₀) der Frequenzhub (F₂) für die Modulierfrequenzen (f) abnimmt, für die infolge Verfälschung der Gegenkopplung in eine Mitkopplung der Frequenzhub (F₀) zunimmt. Hierzu wird vorzugsweise in dem einen Parallelzweig ein Laufzeitglied angeordnet, dessen

Laufzeit T₀= -^- ist, wobei, k = 1, 2, 3 usw. ist. _s

/0

Besondere Bedeutung kann die Anordnung nach der Erfindung insbesondere in Richtfunkzwischenämtern erlangen. Von Bedeutung können noch Laufzeitunterschiede sein, bei denen k etwa die Werte ¹J₂, ³/₂,⁵/₂ usw. annimmt.

Es sind bereits aus Parallelzweigen bestehende Schaltungsanordnungen bekannt, von denen wenigstens einer ein phasenentzerrendes Netzwerk enthält. Die Ausgänge der Zweige werden zu einem Kompensationspunkt, insbesondere zu einem Differentialübertrager geführt, wodurch sich eine Filteranordnung mit einer Mehrzahl von schmalen Sperrbereichen erzielen läßt. Bei den bekannten Schaltungsanordnungen wird auf gleiche Amplitudenverzerrungen in den verschiedenen Zweigen Wert gelegt. Solche Schaltungsanordnungen wurden jedoch nie im Sinne der Erfindung verwendet.

Im folgenden wird das im Frequenzgegenkopplungszweig beispielsweise verwendete Netzwerk an Hand der Fig. 1 näher erläutert. Eine frequenzmodulierte Schwingung S₁ gelangt vom Punkt 1 über die Wege 3 und 4, über den Weg 4 jedoch mit der Verzögerung um die Laufzeit T₀, an den gemeinsamen Punkt 2, so daß sich im Punkt 2 eine frequenzmodulierte Schwingung mit der gleichen, aber um die Laufzeit T₀ verschobenen Schwingung addiert. Hat die Schwingung am Eingang S₁ einen Frequenzhub F₀, so ist sie, wie gezeigt werden kann, nach Durchlaufen des Zweiwegesystems am Punkt 2 frequenz- und amplitudenmoduliert. Die Amplitudenmodulation kann leicht durch einen Begrenzer B beseitigt werden. Der Hub F₀ der Schwingung S₁ wird in den frequenzabhängigen Hub F₂ verwandelt, dessen Verlauf in Fig. 2 dargestellt ist. Die Figur zeigt, daß der Hub mit zunehmender Modulationsfrequenz durch die Nullinie geht. Auch ohne Rechnung kann man sich die Wirkung der Zweiwegeschaltung etwa wie folgt vorstellen: Bei langsamem Wobbein der Frequenz (tiefe Modulationsfrequenz) hat die Schwingung am Ausgang des Gliedes T₀ Zeit genug, der Frequenzveränderung am Eingang zu folgen. Bei raschem Wobbein am Eingang (hohe Modulationsfrequenz) ändert z. B. die Schwingung

über den Weg 3 ihre Frequenz schon nach höheren Werten, während am Ausgang des laufzeitbehafteten Weges die Frequenz noch nach tieferen Werten läuft. Bei einer bestimmten Modulationsfrequenz löschen sich beide Wirkungen gerade aus, so daß der resultierende Hub Null wird.

An Hand eines Ausführungsbeispiels, z. B. an Hand eines Zwischenverstärkers nach Fig. 3, wird der Erfindungsgedanke näher erläutert. Die ankommende

ίο Schwingung mit der Frequenz /\ und dem Frequenzhub F₁ wird mittels der Überlagerungsfrequenz (f_x — f_z) in der Modulatorstufe M₁ in die Zwischenfrequenz f_z umgesetzt. Diese Zwischenfrequenz gelangt an den zu linearisierenden Zwischenfrequenzverstärker V. An diesen schließt sich der Gegenkopplungsweg an, der das Netzwerk nach Fig. 1 enthält, auf das ein die Frequenz um η vervielfachendes Netzwerk N und ein Frequenzsieb S folgen. Die Spannung mit der Frequenz η · f_z gelangt schließlich an die zweite Modulatorstufe M₂, der vom Generator G eine Spannung mit einer Frequenz If₁ —· (n + 1) · f_z] zugeführt wird. Aus dieser Modulatorstufe Ai₂ wird schließlich die Spannung mit der Frequenz If₁ — f_z) gewonnen, die als Überlagerungsspannung dem Modulator M₁ zugeführt wird.

Unter Zuhilfenahme der Übertragungsfaktoren μ und ß, und zwar μ als Ubertragungsf aktor des Frequenzhubes für den Nachrichtenweg, β als Übertragungsfaktor des Hubes für den Gegenkopplungsweg, wird der ursprüngliche Hub F₁ nach dem Modulator M₁

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auf den Wert —-γ—5, z. B. auf ¹J₃ F₁ herabgesetzt, ι τ ftp

Hierdurch geht die Wirkung der Nichtlinearitäten in zweifacher Weise zurück: einmal infolge der Gegenkopplung um den Faktor (1 -f- μβ), zum. anderen Mal infolge geringerer Aussteuerung um den Faktor (1 + μβ)"¹"¹, wenn η den Grad der erzeugten Harmonischen bedeutet.

Bei Frequenzgegenkopplung geht daher im ganzen der Klirrfaktor um den Faktor (1 + μβ)^η, d. h. mit der zugehörigen Potenz der Gegenkopplung zurück. Im obigen Beispiel (Faktor 3) würde dies für den Klirrfaktor zweiten Grades eine Verkleinerung um 3² = 9, für den dritten Grad um 3³ = 27 bedeuten.

Es sind also bereits geringe Gegenkopplungen, z. B. μ β = ι, wobei Selbsterregung unmöglich ist, schon recht wirksam. Diese Tatsache an sich ist bereits bekannt.

Da der Hub beim Durchlaufen des Verstärkers V seine Größe nicht ändert, hat der Faktor μ den Betrag 1 ; dieser dreht jedoch die Phase um den Winkel ωT₁. Zum Unterschied von gewöhnlichen Verstärkern hat man im μ-Kreis bei Frequenzmodulation keine Verstärkung des Frequenzhubes. Diese muß daher in den /?-Kreis in Form einer Vervielfachung des Hubes gelegt werden.

Der Gegenkopplungsweg besteht in dem Ausführungsbeispiel aus dem als Beispiel gewählten Zweiwegenetzwerk mit anschließendem Begrenzer, aus dem Frequenzvervielfacher N, dem Frequenzsieb 5 und der Modulatorstufe M₂- Das Netzwerk gibt dem Hub einen Frequenzgang nach Fig. 2. Die Nullstellen des Hubes legt man zweckmäßigerweise in die Nähe der Filterkanten des Zwischenfrequenzverstärkers, also an Punkte, in denen der Phasengang des Verstärkers sehr steil ist und daher Selbsterregung eintreten könnte. Die zusätzliche Laufzeit T₀, die das Zweigwegesystem liefert, kann im allgemeinen kleiner gehalten werden als die Laufzeit T₁ des Verstärkers. In der Begrenzer- und Frequenzvervielfacherstufe wird sowohl die Mittenfrequenz auf η · f_z als auch der

Hub auf den Wert F —ίγ~Ύ gebracht. Dabei ist

. COT₀

β = η cos — ei^m%-i,

wobei T₂ im wesentlichen die Laufzeit ~-ist; hinzu

kommt ein kleiner Betrag vom Begrenzer und dem nachgeschalteten Filter, dessen Durchlaßbereich größer ist als der des ZF-Verstärkers.

Der Modulator M_% bringt die Mittenfrequenz auf den notwendigen Wert f_x — f_z; der Frequenzhub wird dabei aber nicht verändert. Dieser Hub wirkt auf den Eingangsmodulator im Sinne der vorausgesetzten Gegenkopplung, d. h., es wird
F „ „ μβ

τ + μβ

= F — F

μβ

wie vorausgesetzt.

Im ganzen Gegenkopplungskreis herrscht der für das Nyquist-Diagramm maßgebende Übertragungsfaktor

95 2

Dieser darf für die gefährlichen Frequenzen, bei denen / ω (T₁ + T₂) = i8o° wird, den Punkt 1 auf der reellen Achse nicht umschließen, wenn die Schaltung stabil bleiben soll.

Um am Ausgang der Schaltung von Fig. 3 die ursprüngliche Frequenz f_x für die Wiederausstrahlung der Nachricht zu erhalten, kann in der Modulatorstufe M₃ mit der gleichen Frequenz /Ί —■ f_z moduliert werden wie am Eingang. Dabei kann in Weiterbildung der Erfindung auch wieder der ursprüngliche Hub F₁ erreicht werden, wenn man diese Frequenz, wie in Fig. 3 dargestellt, aus dem Gegenkopplungskreis entnimmt und die Phasendrehung μ des ZF-Verstärkers — natürlich ohne den nichtlinearen Gang — wiederholt. Man erhält dann bei der Addition der Frequenzen im Modulator M₃, wie erwünscht:

τ+μβ τ + μβ

= F μ.

Die Ausgangsschwingung ist um die Laufzeit T₁ gegenüber der Eingangsschwingung verspätet. Will man, wie üblich, die Ausgangsfrequenz um A f verschieden machen, so braucht nur eine weitere Modulatorstufe M₁ eingefügt zu werden.

Von besonderer Bedeutung kann bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung die Verwendung in Gegenkopplungswegen mit kleinem Gegenkopplungsgrad sein, z. B. bei \μβ\ = τ. In diesem Fall können die Begrenzerstufe, der Frequenzvervielfacher N und

das Frequenzsieb S wegfallen. Diese Schaltungsanordnung besteht dann, da die Laufzeit T₀ in der Größenordnung von T₁ liegt, z. B. aus wenigen Schwingkreisen. Die störende Amplitudenmodulation kann in den Modulatorstufen ohne weiteres beseitigt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltungsanordnung für frequenzmodulierte Wellen, bei der in einem von den Wellen durchlaufenen Gerät (z. B. ZF-Verstärker) zum Zwecke einer den Frequenzhub der Wellen reduzierenden Gegenkopplung eine Rückführung eines Teiles der frequenzmodulierten Wellen vom Geräteausgang zum Geräteeingang über frequenzselektive Netzwerke vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem für die Kompensation von nichtlinearen Verzerrungen des Gerätes bemessenen Gegenkopplungszweig Netzwerke vorgesehen sind, die allein für innerhalb des Durchlaßbereiches des frequenzselektiven Netzwerks gelegene kritische Modulationsfrequenzen, bei denen eine Verfälschung der Gegenkopplung in eine Mitkopplung auftreten kann, den Frequenzhub des rückgeführten Anteils der frequenzmodulierten Wellen auf Null reduzieren.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk aus wenigstens zwei, der Zusammenführung einer frequenzmodulierten Welle mit der gleichen, um die Laufzeit τ₀ verschobenen Welle dienenden parallelen Zweigen besteht, die derart bemessen sind, daß sich beim Zusammenfügen der beiden Wellen die mittlere Frequenz (/"„) ergibt, deren Frequenzhub (F₂) mit zunehmendem Wert der mittleren Frequenz (f₀) abnimmt (Abb. 2).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den einen der parallelen Zweige ein Laufzeitglied mit einer Lauf-

Ii
zeit τ₀ = -r (k = i, 2, 3 usw oder deren halbe

Ia
Werte) eingeschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Netzwerk eine Amplitudenbegrenzerstufe (B) nachgeschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Verstärkereinrichtung, insbesondere in einem Richtfunkzwisclienamt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche ι bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Frequenzgegenkopplung zwischen dem Ausgang eines Zwischenfrequenzverstärkers und einer am Eingang des Zwischenfrequenzverstärkers liegenden Mischstufe (M₁ in Fig. 3) in der Weise, daß in den das Netzwerk enthaltenden Gegenkopplungsweg in an sich bekannter Weise eine Begrenzerstufe (B), eine die Zwischenfrequenz (f_z) um η vervielfachende Frequenzvervielfacherstufe (N) und vorzugsweise ein Frequenzsieb (S) in Serie eingeschaltet sind, die zu einer von einem Oszillator (G) mit der Frequenz (f_x — \n + 1] · f_z) beaufschlagten zweiten, ebenfalls im Gegenkopplungsweg liegenden zweiten Modulatorstufe (M₂) geführt sind, deren Ausgangsspannung mit der Frequenz (f_x — f_z) als Überlagerungsspannung der am Eingang befindlichen Mischstufe (M₁) zugeführt wird.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Zwischenfrequenzverstärkers eine weitere Modulatorstufe (M₃) angeschaltet ist, durch welche die Nachricht in die ursprüngliche oder angenähert die ursprüngliche Frequenzlage versetzt wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem weiteren Modulator (M₃) über ein Netzwerk die Ausgangsspannung des zweiten Modulators (M₂) derart als Überlagerungsspannung zugeführt wird, daß im Ausgang des weiteren Modulators (M₃) wieder der ursprüngliche, frequenzunabhängige Frequenzhub oder ein wunschgemäß verzerrter auftritt.

9. Schaltungsanordnung nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verbindungsweg zwischen dem Ausgang des zweiten Modulators (M₂) und dem weiteren Modulator (M₃) eine Hilfsmodulatorstufe (M₄) vorgesehen ist, der eine in der Frequenz derart bemessene Überlagerungsspannung zugeführt wird, daß die Mittenfrequenz der weitergesendeten Wellen um die Frequenz A f gegen die empfangenen Wellen verschieden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 702 534, 703 288;
schweizerische Patentschrift Nr. 265 360;
französische Patentschrift Nr. 945 975.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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