DE976698C - Modulator and demodulator circuit with non-linear guide conductors - Google Patents
Modulator and demodulator circuit with non-linear guide conductorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Modulator- und Demodulatorschaltung mit nichtlinearen Richtleitern in Gegentakt- oder Doppelgegentaktschaltung unter Verwendung einer Tragerspannung mit nicht rechteckiger Kurvenform.The invention relates to a modulator and demodulator circuit with non-linear directional conductors in push-pull or double push-pull circuit using a carrier voltage with a non-rectangular shape Curve shape.
Derartige Modulatoren dienen in der TF-Technik dazu, das Sprachfrequenzband in eine für die Übertragung günstigere Frequenzlage zu verschieben bzw. aus der Übertragungslage wieder in die hörgerechte Normallage zurückzuführen. Sie werden in der Regel aus Gleichrichterelementen aufgebaut (Abb. ι a und ι b), die im Idealfalle eine geradlinig geknickte Kennlinie aufweisen (Abb. 2). Durch eine Hilfsspannung — die Trägerspannung Μγ — werden die Gleichrichter im Takt der Trägerfrequenz auf »Durchlassen« und »Sperren« getastet, so daß eine gleichzeitig angelegte modulierende Sprechspannung im gleichen Takt unterbrochen bzw. umgepolt wird (Abb. 1 c bzw. 1 d). Die Sprechspannung findet sich dann in der Hüll- ao kurve der Ausgangsspannung wieder. Dabei entstehen an den Gleichrichterzellen Vielfache der Trägerfrequenz, denen sich die Modulationsfrequenz jeweils als oberes und unteres Seitenband beigesellen (Abb. 3). Durch Verwendung der Gegentaktschaltungen (Abb. 1 a und 1 b) erreicht man bei idealer Symmetrie, daß sich die Trägerspannung und ihre Vielfachen aufheben und amSuch modulators are used in TF technology to shift the voice frequency band into a frequency position that is more favorable for transmission or to return it from the transmission position to the normal position suitable for hearing. As a rule, they are made up of rectifier elements (Fig. Ι a and ι b), which ideally have a straight kinked characteristic curve (Fig. 2). An auxiliary voltage - the carrier voltage Μγ - switches the rectifiers to "pass" and "block" at the same rate as the carrier frequency, so that a simultaneously applied modulating speech voltage is interrupted or reversed at the same rate (Fig. 1 c and 1 d) . The speech voltage is then found in the envelope curve of the output voltage. This results in multiples of the carrier frequency at the rectifier cells, to which the modulation frequency is added as the upper and lower sideband (Fig. 3). By using the push-pull circuits (Fig. 1 a and 1 b) one achieves with ideal symmetry that the carrier voltage and its multiples cancel each other out and am
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Modulatorausgang nur die zugehörigen Seitenbänder auftreten. Wenn die Trägerfrequenz höher liegt als das Doppelte der höchsten Sprachfrequenz, so lassen sich diese einzelnen Frequenzbänder voneinander trennen, und man kann durch Filter das für die Übertragung gewünschte Seitenband (z. B. das in Abb. 3 schraffierte) aus dem Spektrum herauslösen. Only the associated sidebands occur at the modulator output. When the carrier frequency is higher is twice the highest speech frequency, these individual frequency bands can be separated from each other and you can use filters to select the sideband required for the transmission (e.g. remove the hatched in Fig. 3) from the spectrum.
Praktisch sind jedoch weder die Gleichrichterkennlinien geradlinig geknickt, noch erfolgt das Umschalten von Durchlassen auf Sperren plötzlich (Abb. 4). Das hat zur Folge, daß der von der Sprechspannung durch die Gleichrichter getriebene Strom und damit die Ausgangsspannung verzerrt werden. Das tatsächliche Spektrum enthält somit nicht nur die Seitenbänder 1. Ordnung nach Abb. 3, sondern auch solche höherer Ordnung, wodurch Verzerrungen der Signalspannung und Übersprechen in Nachbarkanäle verursacht werden. Um diese zu vermeiden, müssen an Modulatoren, mit denen breite Frequenzbänder umgesetzt werden sollen, besonders hohe Anforderungen, bezüglich der Klirrfreiheit gestellt werden.In practice, however, the rectifier characteristics are not bent in a straight line, nor is this done Sudden switching from letting through to blocking (Fig. 4). The consequence of this is that the Speech voltage through the rectifier-driven current and thus distorted the output voltage will. The actual spectrum thus not only contains the first order sidebands according to Fig. 3, but also higher order ones, causing signal voltage distortion and crosstalk in adjacent channels. To avoid this, modulators have to be connected to which broad frequency bands are to be implemented, particularly high requirements with regard to the Freedom from distortion.
Durch symmetrischen Aufbau der Modulatoren lassen sich zwar die Seitenbänder gerader Ordnung weitgehendst unterdrücken; die Seitenbänder ungerader Ordnung, insbesondere das 3. Ordnung, bleiben jedoch in der Ausgangsspannung noch bestehen. Wie aus Abb. 5 ersichtlich, wird das Nutzseitenband (T ± M) in den meisten Fällen von dem Störseitenband 3. Ordnung (T ± 3 M) überlappt, so daß es von diesem durch Filter nicht mehr getrennt werden kann.The symmetrical structure of the modulators allows the sidebands of an even order to be suppressed to the greatest possible extent; however, the odd-order sidebands, especially the 3rd order, still exist in the output voltage. As can be seen from Fig. 5, the useful sideband (T ± M) is in most cases overlapped by the 3rd order interference sideband (T ± 3 M) so that it can no longer be separated from it by filters.
Die Erfindung bezweckt nun die Unterdrückung dieser Modulationsprodukte der 3. Harmonischen der Modulationsfrequenz.The invention now aims to suppress these modulation products of the 3rd harmonic the modulation frequency.
Die Unterdrückung dieser Störseitenbänder könnte sowohl durch Verringerung der Spannung der Modulationsfrequenz als auch durch Erhöhung der Trägerspannung bewirkt werden; eine Herabsetzung der Spannung der Modulationsfrequenz hat aber eine Verringerung des Rauschabstandes zur Folge; einer Erhöhung der Trägerspannung hingegen sind in den meisten Fällen durch die Belastbarkeit der Gleichrichterelemente und durch den steigenden Trägerleistungsbedarf Grenzen gesetzt.The suppression of these interfering sidebands could be achieved both by reducing the voltage the modulation frequency as well as by increasing the carrier voltage; a degradation the voltage of the modulation frequency has a reduction in the signal-to-noise ratio result; an increase in the carrier voltage, however, are in most cases due to the load capacity the rectifier elements and limits due to the increasing demand for carrier power set.
Die Erfindung vermeidet auch diese beiden Nachteile, indem sie von einer weiteren Möglichkeit zur Unterdrückung des Klirrseitenbandes 3. Ordnung Gebrauch macht; diese ergibt sich aus dem Verlauf der für das Auftreten des Klirrtons verantwortlichen Kennlinienableitungen der Gleichrichter in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt; diese Ableitungen nehmen positive und negative Werte an, die sich je nach der Kurvenform der Trägerspannung gegenseitig mehr oder weniger aufheben können.The invention also avoids these two disadvantages by providing a further possibility for Makes use of third-order distorted sideband suppression; this results from the course the derivation of the characteristic curve of the rectifier responsible for the occurrence of the clink depending on the working point; these derivatives take positive and negative values, which, depending on the shape of the curve of the carrier voltage, cancel each other out to a greater or lesser extent can.
Da, wie noch eingehend erläutert wird, die Verzerrungen der Modulationsfrequenz in der Umgebung der Nulldurchgänge der Trägerspannung am größten sind, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Kurvenform der Trägerspannung in der Umgebung ihrer Nulldurchgänge so zu beeinflussen, daß die Störseitenbänder 3. Ordnung (T ± 3 M) unterdrückt werden.Since, as will be explained in detail, the distortions of the modulation frequency are greatest in the vicinity of the zero crossings of the carrier voltage, the object of the invention is to influence the curve shape of the carrier voltage in the vicinity of its zero crossings in such a way that the 3rd order interference sidebands ( T ± 3 M) can be suppressed.
Diese Beeinflussung der Kurvenform der Trägerspannung wird erfindungsgemäß mittels einer Modulator- oder Demodulatorschaltung mit nichtlinearen Richtleitern in einfacher oder doppelter Gegentaktschaltung unter Verwendung einer Trägerspannung mit nicht rechteckiger Kurvenform bewirkt, die entweder dadurch gekennzeichnet ist, daß jeweils zwischen den Trägerzuleitungen ein Kondensator und zwischen diesen und der Trägerstromquelle in an sich bekannter Weise — wie in Abb. 11 beispielsweise für eine einfache Gegentaktschaltung dargestellt — ein Längswiderstand angeordnet ist oder dadurch, daß zu jedem der Richtleiter ein Kondensator parallel geschaltet und in der Trägerzuleitung bzw. den Trägerzuleitungen in an sich bekannter Weise je ein Längswiderstand angeordnet ist, wobei in beiden Fällen diese Schaltelemente so bemessen sind, daß die Störseitenbänder 3. Ordnung der Form (T + 3 M) unterdrückt werden.This influencing of the curve shape of the carrier voltage is effected according to the invention by means of a modulator or demodulator circuit with non-linear directional conductors in a single or double push-pull circuit using a carrier voltage with a non-rectangular curve shape, which is either characterized in that there is a capacitor between the carrier leads and between these and the Carrier current source in a manner known per se - as shown in Fig. 11, for example for a simple push-pull circuit - a series resistor is arranged or by having a capacitor connected in parallel to each of the directional conductors and one in the carrier lead or lead in a known manner Series resistance is arranged, in both cases these switching elements are dimensioned so that the interference sidebands of the 3rd order of the form (T + 3 M) are suppressed.
Es sind bereits verschiedene Schaltungsanordnungen bekanntgeworden, bei denen zwecks Unterdrückung von Störseitenbändern die Kurvenform der Trägerspannung vorzugsweise durch gleichstrommäßige Vorspannung der nichtlinearen Richtleiter bewirkt wird.Various circuit arrangements have already become known in which, for the purpose of suppression of disturbing sidebands, the curve shape of the carrier voltage is preferably carried out by direct current Bias of the nonlinear directional guide is effected.
Alle diese Schaltungsanordnungen dienen jedoch nicht zur Unterdrückung der Störseitenbänder 3. Ordnung (T ± 3 M), sondern zur Unterdrückung anderer Störseitenbänder, beispielsweise der Seitenbänder ι. Ordnung von Vielfachen der Trägerfrequenz (n. T + M). Gerade der Unterdrückung der Störseitenbänder 3. Ordnung (T ± 3 M) kommt aber — wie aus der Beschreibungseinleitung hervorgeht — die weitaus größere Bedeutung zu.However, all of these circuit arrangements are not used to suppress the interference sidebands of the 3rd order (T ± 3 M), but rather to suppress other interference sidebands, for example the sidebands ι. Order of multiples of the carrier frequency (n. T + M). It is precisely the suppression of the 3rd order interference sidebands (T ± 3 M) that is of far greater importance, as can be seen from the introduction to the description.
Es ist bereits auch eine Schaltungsanordnung mit einem Modulator in doppelter Gegentaktschaltung verwendet worden, bei dem zur Erzeugung einer Vorspannung der nichtlinearen Richtleiter die beiden Längswiderstände in den Trägerzuleitungen auf der Modulatorseite über einen Kondensator miteinander verbunden sind.There is already a circuit arrangement with a modulator in a double push-pull circuit has been used in which to generate a bias of the nonlinear directional guide the two Series resistances in the carrier leads on the modulator side with one another via a capacitor are connected.
Andere bereits bekannte Schaltungsanordnungen zur Unterdrückung von Störfrequenzen setzen die Verwendung einer Trägerspannung mit rechteckiger Kurvenform voraus. Eine rechteckige Kurvenform der Trägerspannung ka,nn aber nur mittels einer Amplitudenbegrenzerschaltung aus einer Trägerspannung mit sehr steilen Flanken gewonnen werden, was aber wiederum eine große Trägerleistung erfordert.Other already known circuit arrangements for suppressing interference frequencies set the Using a carrier voltage with a rectangular waveform ahead. A rectangular curve shape the carrier voltage ka, nn but only by means of an amplitude limiter circuit from a Carrier voltage can be obtained with very steep edges, which in turn, however, is a large carrier power requires.
Durch die Erfindung sollen aber gerade derartige Trägerleistungsverluste vermieden werden. Der wesentliche Vorteil der Erfindung gegenüber diesen bekannten Schaltungsanordnungen besteht also darin, daß durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen · die Unterdrückung der Störseitenbänder 3. Ordnung auch bei einer sinusförmigen Trägerspannung ohne nennenswerte Trägerleistungsverluste erreicht wird.However, it is precisely such carrier power losses that are to be avoided by the invention. Of the The main advantage of the invention over these known circuit arrangements is therefore that by the measures according to the invention · the suppression of the interference sidebands of the 3rd order even with a sinusoidal carrier voltage achieved without significant loss of carrier power will.
Die nachstehenden theoretischen Betrachtungen, denen ein einfacher Gegentaktmodulator nach Abb. ι a zugrunde gelegt ist, sollen zum besseren Verständnis der Erfindung dienen. Für diesen läßt sich der Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung U2 und Eingangsspannung U1 durch eine Potenzreihe darstellenThe following theoretical considerations, which are based on a simple push-pull modulator according to Fig. Ι a, are intended to provide a better understanding of the invention. For this, the relationship between output voltage U 2 and input voltage U 1 can be represented by a power series
U2 = G1 (U2) Ux + a3 (U2) u* + a5 (uz) W1 5 + . . ., U 2 = G 1 (U 2 ) U x + a 3 (U 2 ) u * + a 5 (u z ) W 1 5 +. . .,
ίο in der infolge der eingangs erwähnten Schaltungssymmetrie nur noch ungerade Potenzen von U1 auftreten. Die Koeffizienten hängen von den im Stromkreis liegenden Widerständen Ra und Ri und vornehmlich von der Zellenspannung uz ab. Die Verzerrung läßt sich am besten dadurch erfassen, daß man U1 = U1 cos ω t setzt und die Ausgangsspannung dreifacher Frequenz, die in erster Näherung proportional dem Koeffizienten a3 ist, mißt oder berechnet. Der Verlauf ist in Abb. 6 für einen ίο in which only odd powers of U 1 occur as a result of the circuit symmetry mentioned at the beginning. The coefficients depend on the resistances R a and Ri in the circuit and primarily on the cell voltage u z . The distortion can best be detected by setting U 1 = U 1 cos ω t and measuring or calculating the output voltage of three times the frequency, which is in a first approximation proportional to the coefficient a 3. The course is in Fig. 6 for a
ao bestimmten Abschlußwiderstand dargestellt. Man kann daraus erkennen, daß die Klirrspannung fürao certain terminating resistor shown. One can see from this that the distortion voltage for
sehr klein wird. Beimbecomes very small. At the
-Werte, insbesondereValues, in particular
genügend große Werte | uz sufficiently large values | u z
Durchlaufen der kleineren | U2 Traversing the smaller | U 2
in der Umgebung der Nulldurchgänge, werden die Verzerrungen jedoch sehr groß, und es kommt wesentlich darauf an, wie lange sich die Trägerspannung U2 in diesem Gebiet aufhält. Diese Verweilzeit wird jedoch auch bei wachsender Trägeramplitude (Sinuskurvenform vorausgesetzt) kleiner, wobei aber der Zellenstrom stark ansteigt, wodurch die Zellen unnötig belastet und die Trägerleistung außerordentlich vergrößert werden würde. Dieser Nachteil läßt sich — wie an sich bereits bekannt — durch Einschaltung ohmscher Widerstände in die Trägerzuleitung(en) vermeiden; durch diese Maßnahme wird der Trägerstrom in der Durchlaßphase begrenzt, ohne daß die Steilheit der Nulldurchgänge von U2 wesentlich beeinflußt wird (Abb. 7).in the vicinity of the zero crossings, however, the distortions become very large, and it depends essentially on how long the carrier voltage U 2 stays in this area. However, this dwell time also becomes shorter as the carrier amplitude increases (assuming sinusoidal shape), but the cell current rises sharply, which unnecessarily stresses the cells and increases the carrier output extraordinarily. As is already known, this disadvantage can be avoided by including ohmic resistors in the carrier lead (s); This measure limits the carrier current in the forward phase without significantly affecting the steepness of the zero crossings of U 2 (Fig. 7).
Stellt man nun den Verlauf des Koeffizienten O3 der Potenzreihe (nach den Abb. 6 und 7) über der Zeit t dar, so erhält man die Kurve nach Abb. 8, die man als Modulationskurve für die 3. Harmonische der Signalspannung auffassen kann. Durch harmonische Analyse und Bestimmung der in dieser Kurve (Abb. 8) enthaltenen Grundschwingung erhält man dann die Klirrseitenbandamplitude. Ein Vergleich dieser Kurve mit der in Abb. 9 b dargestellten, der eine gemäß Abb. 9 a verzerrte Trägerspannung zugrunde liegt, läßt erkennen, wie man durch Beeinflussung des zeitlichen Ablaufs der Trägerspannung, insbesondere in der Nähe ihrer Nulldurchgänge, die Form der a3-Kurve wesentlich beeinflussen kann. In Abb. 9 b ist der Grundwellenanteil gegenüber Abb. 8 wesentlich kleiner geworden, da sich jetzt die positiven und negativen Flächen der a3-Kurve unter dem Sinusbogen nahezu aufheben.If you now represent the course of the coefficient O 3 of the power series (according to Figs. 6 and 7) over time t , you get the curve according to Fig. 8, which can be understood as a modulation curve for the 3rd harmonic of the signal voltage. The harmonic analysis and determination of the fundamental oscillation contained in this curve (Fig. 8) then gives the distortion sideband amplitude. A comparison of this curve with that shown in Fig. 9 b, which is based on a carrier voltage distorted according to Fig. 9 a, shows how the shape of the a 3 Curve can significantly influence. In Fig. 9 b, the fundamental wave component has become much smaller than in Fig. 8, since the positive and negative areas of the a 3 curve under the sinus curve now almost cancel each other out.
Die in Abb. 10 dargestellte Kurve zeigt den Verlauf der Zellenspannung uz, der bereits durch die erfindungsgemäße Anordnung einer Querkapazität im Trägereingang oder die erfindungsgemäße Parallelschaltung von Kondensatoren zu den Gleichrichterelementen in Verbindung mit einem Begrenzungswiderstand in der Trägerzuleitung erreicht werden kann. Der in Abb. 7 b dargestellte Verlauf der Zellenspannung ist dabei nach rechts verschoben worden; dafür sind aber die Nulldurchgänge, wie in Abb. 9 a dargestellt, näher zusammengerückt, so daß die Durchlaßphase des Modulators verkürzt worden ist. Dadurch wird zwar auch die Nutzspannung etwas verkleinert, jedoch wirkt sich das nur in geringem Maße aus,, da die Ränder des fast rechteckig geformten Durchlaßimpulses ohnehin nur wenig zur Grundschwingungsamplitude beisteuern. Dagegen wirken sich bereits kleine Verschiebungen der beiden schmalen Zipfel der O3-Kurve relativ stark aus, da sie ja fast den einzigen Beitrag zur Grundschwingung bilden.The curve shown in Fig. 10 shows the course of the cell voltage u z , which can already be achieved by the inventive arrangement of a transverse capacitance in the carrier input or the inventive parallel connection of capacitors to the rectifier elements in conjunction with a limiting resistor in the carrier lead. The course of the cell voltage shown in Fig. 7b has been shifted to the right; however, as shown in Fig. 9a, the zero crossings are moved closer together, so that the transmission phase of the modulator has been shortened. This also reduces the useful voltage somewhat, but this has only a minor effect, since the edges of the almost rectangular pass pulse contribute only a little to the fundamental oscillation amplitude. On the other hand, even small shifts in the two narrow corners of the O 3 curve have a relatively strong effect, since they form almost the only contribution to the fundamental oscillation.
Die parallel zu den kapazitätsarmen Gleichrichterzellen geschalteten Kapazitäten sind so bemessen, daß sie sich auf die sonstigen Modulatoreigenschaften (Dämpfung, Trägerrest) nicht nachteilig auswirken. Um durch Erhöhung der Trägerspannung eine ausreichende Klirrdämpfung zu erreichen, wäre eine Trägerleistung von etwa 200 mW erforderlich, während mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die gleiche Wirkung mit einem Leistungsaufwand von nur 30 mW erreicht wird; mit der Erfindung wird also eine ganz erhebliche Einsparung von Trägerleistung erzielt.The capacities connected in parallel to the low-capacitance rectifier cells are dimensioned in such a way that that they do not have a detrimental effect on the other modulator properties (damping, carrier residue) impact. In order to achieve sufficient distortion attenuation by increasing the carrier voltage achieve, a carrier power of about 200 mW would be required, while with the invention Circuit arrangement has the same effect with a power consumption of only 30 mW is achieved; With the invention, therefore, there is a very considerable saving in terms of carrier power achieved.
Abb. 11 zeigt Meßergebnisse über den Einfluß einer veränderlichen Kapazität C parallel zum Trägereingang bei einem einfachen Gegentaktmodulator mit reellem Abschlußwiderstand.Fig. 11 shows measurement results on the influence of a variable capacitance C parallel to the carrier input for a simple push-pull modulator with a real terminating resistor.
Claims (3)
Deutsche Patentschriften Nr. 830674, 879400, 872, 869 220, 759 966;Considered publications:
German Patent Nos. 830674, 879400, 872, 869 220, 759 966;
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DEF14882A DE976698C (en) | 1954-06-05 | 1954-06-05 | Modulator and demodulator circuit with non-linear guide conductors |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DEF14882A DE976698C (en) | 1954-06-05 | 1954-06-05 | Modulator and demodulator circuit with non-linear guide conductors |
| GB1657255A GB814894A (en) | 1955-06-09 | An improved modulator and demodulator arrangement |
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Family Applications (1)
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| DEF14882A Expired DE976698C (en) | 1954-06-05 | 1954-06-05 | Modulator and demodulator circuit with non-linear guide conductors |
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