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Publication number: DEF0014882MA
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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

Tag der Anmeldung: 4. Juni 1954 Bekanntgemacht am 13. Dezember 1956Registration date: June 4, 1954. Advertised on December 13, 1956

DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE

Die Erfindung betrifft eine Modulator- und Demodulatorschaltung mit nicht linearen Richtleitern in Gegentakt- oder Doppelgegentaktischaltung unter Verwendung einer Trägerspannung 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. ιa und ib), die im Idealfalle eine geradlinig geknickte Kennlinie aufweisen (Abb. 2). Durch eine Hilfsspannung — die Trägerspannung u_T — 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. ic bzw. id). Die Sprechspanniung findet sich dann in der Hüllkurve 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. Ιa and ib), which ideally have a straight kinked characteristic (Fig. 2). An auxiliary voltage - the carrier voltage u _T - switches the rectifiers to "pass" and "block" in time with the carrier frequency, so that a simultaneously applied modulating speech voltage is interrupted or reversed in the same cycle (Fig. Ic and id). 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 mir die zugehörigen Seitenbän-,der auftreten. Wenn die Trägerfrequenz höher liegt als das Doppelte der höchsten Sprachfrequenz, so lassen sich diese einzelnen Frequenzbänder voiieinander trennen und man kann durch Filter das für die Übertragung gewünschte Seitenband (z. B.Modulator output me the associated sidebands that occur. If the carrier frequency is higher than twice the highest voice frequency, these individual frequency bands can be separated from one another and the sideband desired for the transmission (e.g.

das in Abb. 3 schraffierte) aus dem Spektrum her-the hatched in Fig. 3) from the spectrum

, auslösen., trigger.

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 dler Klirrfreiheit gestellt werden. . ....In practice, however, the rectifier characteristics are not bent in a straight line, nor is this done Switching from letting through to blocking suddenly (Fig. 4) .. This has the consequence that the Speech voltage through the rectifier-driven current and thus distorted the output voltage will. The actual spectrum therefore not only contains the sidebands, 1st order 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 where broad frequency bands are to be implemented, particularly high requirements with regard to dler 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; the: sidebands of odd order, especially the 3rd order, however, 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 Signalspannung als auch durch Erhöhung der Trägerspannung bewirkt werden; eine Herabsetzung der Signalspannung hat aber eine Verringerung des Rauschabstandes zur Folge; einer Erhöhung der Trägerspannung hingegen sind in den meisten Fällen durch die Belastbarkeit der Gleichrichtereiemente und durch den steigenden Trägerleistungsbedarf Grenzen gesetzt.The suppression of these interference sidebands could be achieved by reducing the signal voltage as well as by increasing the carrier voltage; a reduction in the However, signal voltage results in a reduction in the signal-to-noise ratio; an increase in Carrier voltage, however, are in most cases due to the load capacity of the rectifier elements and limits are set by the increasing demand for carrier power.

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 one responsible for the occurrence of the clink Derivation of characteristics of the rectifier depending on the operating point; these derivatives take positive and negative values, depending on the waveform of the carrier voltage can more or less cancel each other out. ■

Hieraus ergibt sich der grundlegende Ernndungsgedanke, die Klirrdämpfung des Modulators durch Beeinflussung der Kurvenform der Trägerspannung, insbesondere in der Umgebung ihrer Nulldurchgänge, so zu beeinflussen, daß dadurch die Störseitenbänder 3. Ordnung unterdrückt werden.This gives rise to the basic concept of nutrition, the distortion attenuation of the modulator by influencing the curve shape of the carrier voltage, especially in the vicinity of their zero crossings, so that this affects the 3rd order interference sidebands are suppressed.

Die Beeinflussung der Kurvenform der Träger- ■ spannung kann erfindungsgemäß entweder durch in der Trägerzuleitung angeordnete Schaltelemente oder dadurch bewirkt werden, daß der Trägerspannung eine ihrer Oberwellen mit solcher Amplitude und Phase überlagert wird, daß das Klirrprodukt 3. Ordnung (T + 3 M) des Modulators zu einem Minimum wird.The influence of the curve shape of the carrier voltage can be effected according to the invention either by switching elements arranged in the carrier supply line or by superimposing one of its harmonics on the carrier voltage with such an amplitude and phase that the 3rd order distortion product (T + 3 M) of the Modulator becomes a minimum.

Als Schaltelemente zur Beeinflussung der Kurvenform der Trägerspannung können beispielsweise entweder in der Trägerzuleitung ein Querkondensator und zwischen diesem und der Trägerstromquelle — in an sich bekannter Weise ■— ein Längswiderstand angeordnet, oder — ebenfalls in Verbindung mit, dem an sich bekannten Längswiderstand zur Begrenzung des Trägerstroms — zu jedem der nichtlinearen Richtleiter der Modulatorschaltung ein Kondensator parallel geschaltet werden.As switching elements for influencing the curve shape of the carrier voltage, for example either a shunt capacitor in the carrier feed line and between this and the carrier current source - in a manner known per se ■ - a series resistance arranged, or - also in connection with the series resistance known per se to limit the carrier current - to each of the nonlinear directional conductors of the modulator circuit a capacitor can be connected in parallel.

Es sind an sich bereits verschiedene Verfahren und Schaltungsanordnungen ' zur Unterdrückung von Störseitenbänderrii' bekanntgeworden, jedoch dienen alle diese bereits bekannten Schaltungsanordnungen zur Unterdrückung anderer Störseitenbänder, z. B. der Sei.tenbänder 1. Ordnung von Vielfachen der Trägerfrequenz (n T + M). Diesen Störfrequenzen kommt aber nicht die Be- go deutung zu, wie den Störseitenbändern 3· Ordnung; außerdem, werden bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen zur Unterdrückung der Störfrequenz auch nicht die gleichen Mittel bzw. Maßnahmen angewandt, die gemäß der Frfindung zur Unterdrückung der Störseitenbänder 3. Ordnung (T ±.2, M). dienen. . - '.'■'■:■There are already various methods and circuit arrangements 'for the suppression of Störseitenbandrii' become known, but all these already known circuit arrangements are used to suppress other interference sidebands, z. B. the sidebands of the 1st order of multiples of the carrier frequency (n T + M). However, these interference frequencies are not as important as the third-order interference sidebands; In addition, in these known circuit arrangements for suppressing the interference frequency, the same means or measures are not used that are used according to the invention for suppressing the interference sidebands of the 3rd order (T ± .2, M). serve. . - '.' ■ '■: ■

Andere bereits bekannte Schaltungsanordnungen zur Unterdrückung von Störfrequenzen setzen die Verwendung einer Trägerspannung mit rechteckiger Kurvenform voraus. Eine rechteckige Kurvenform der Trägerspannung kann 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 can only be made up of an amplitude limiter circuit 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 Schaltungsanoordnungen 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. 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. 3rd order interference sidebands 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 Ausgangs spannung M₂ und Eingangsspannung U₁ durch eine Potenzreihe darstellen .The following theoretical considerations, which are based on a simple push-pull modulator according to Fig. 1 a, are intended to provide a better understanding of the invention. For this, the relationship between output voltage M ₂ and input voltage U _{1 can be represented} by a power series.

u-₂ — a_± (u_z) U₁ + a₃ (u_z) M₁ ³ + a_s (u₂) U₁ ⁵ + ...,■ u- ₂ - a _± (u _z ) U ₁ + a ₃ (u _z ) M ₁ ³ + a _s (u ₂ ) U ₁ ⁵ + ..., ■

in der infolge der eingangs erwähnten Schaltungssymmetrie nur noch ungerade Potenzen von U₁ auf-In the circuit symmetry mentioned at the beginning, only odd powers of U _{1 are increased.}

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treten. Die Koeffizienten hängen von den im Stromkreis liegenden Widerständen R₀ und R_t und vornehmlich von der Zellenspannung u_z 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 porportional dem Koeffizienten a₃ ist, mißt oder berechnet. Der Verlauf ist in Abb. 6 für einen bestimmten Abschlußwiderstand dargestellt. Manto step. The coefficients depend on the resistances R ₀ and R _t 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 in a first approximation is proportional to the coefficient a _3. The curve is shown in Fig. 6 for a specific terminating resistor. Man

ίο kann daraus erkennen, daß die Klirrspannung für genügend große Werte [ U₂ | sehr klein wird. Beim Durchlaufen der kleineren | u_z [-Werte, insbesondere 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 Niulldurchgänge von u_z wesentlich beeinflußt wird (Abb. 7).ίο can see from this that the distortion voltage for sufficiently large values [ U ₂ | becomes very small. When traversing the smaller | u _z [values, especially in the vicinity of the zero crossings, however, the distortions become very large and it essentially depends 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 a 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 transmission phase without the steepness of the zero crossings being significantly influenced by u _z (Fig. 7).

Stellt man nun den Verlauf des Koeffizienten a₃ 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. 9a. 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. 9b 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 a _{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 the 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. 9b, the one shown in Fig. 9a. is based on a distorted carrier voltage shows how one can significantly influence _{the shape of the a 3} curve by influencing the time sequence of the carrier voltage, especially in the vicinity of its zero crossings. In Fig. 9b 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. 11 dargestellte Kurve zeigt den Verlauf der Zellenspannung u₂, der bereits durch die Anordnung einer Querkapazität im Trägereingang oder die 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, näher zusammengerückt, so daß die Durchlaßphase des Modulators verkürzt worden ist. Dadurch wird zwar auch dieThe curve shown in Fig. 11 shows the course of the cell voltage u ₂ , which can be achieved by arranging a transverse capacitance in the carrier input or by connecting capacitors in parallel to the rectifier elements in conjunction with a limiting resistor in the carrier feed line. The course of the cell voltage shown in Fig. 7b has been shifted to the right; on the other hand, however, the zero crossings have moved closer together, as in Fig. 9 a, so that the transmission phase of the modulator has been shortened. This also makes the

^ßo 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 a_s~ Kurve relativ stark aus, dia sie ja fast den einzigen Beitrag zur Grundschwingung bilden. ^The useful voltage is somewhat reduced, but this only has a minor effect, since the edges of the almost rectangular-shaped transmission pulse contribute only little to the fundamental oscillation amplitude. On the other hand, even small shifts in the two narrow corners of the a _s 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 erfindüngsgemäßen 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, a carrier power of about 200 mW would be required, while with the inventive Circuit arrangement achieves the same effect with a power consumption of only 30 mW will; with the invention therefore becomes a very significant one Saving of carrier power achieved.

Abb. 12 zeigt Meßergebnisse über den Einfluß einer veränderlichen Kapazität C parallel zum Trägereingang bei einem einfachen Gegentaktmodulator mit reellem Abschlußwiderstand.Fig. 12 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.

Die Abb. ioaund iob zeigen zwei experimentell gewonnene Trägerspannungskurven, bei denen der Grundschwingung je eine 6. Harmonische ih verschiedener Phasenlage überlagert ist. Die in beiden Fällen gemessenen Klirrspannungen verhalten sich etwa wie 1 : 10.Fig. Ioa and iob show two experimentally obtained carrier voltage curves, in which the fundamental oscillation has a 6th harmonic ih different Phase position is superimposed. The distortion voltages measured in both cases behave something like 1:10.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Modulator and demodulator circuit with non-linear directional conductors in push-pull or double push-pull circuit using a non-square carrier voltage Curve shape, characterized in that to reduce the distortion product

3rd order (Γ + 3M) in the carrier supply line Switching elements for influencing the curve shape the carrier voltage, in particular in the vicinity of the zero crossings, are arranged.

2. modulator and demodulator circuit according to claim 1, characterized in that a shunt capacitor in the carrier feed line, and between this and the carrier current source a series resistor is arranged.

3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that in the carrier lead a series resistor is arranged and a capacitor is parallel to each of the non-linear directional conductors of the modulator circuit is switched.

4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the size of the Capacitors is dimensioned so that the useful sideband is not noticeably affected.

5. Modulator and demodulator circuit with non-rectangular waveform of the carrier voltage using non-linear directional conductors in push-pull or double push-pull circuit, characterized in that the carrier voltage with one of its harmonics such amplitude and phase is superimposed,

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that the 3rd order distortion product (T ± 3 M) of the modulator is at a minimum.

Considered publications: German Patent Specifications No. 830 674, 879 400; French Patent No. 783717;

British Patent Nos. 491 103, 622 711;

Henkler, "Application of Modulation in Carrier-Frequency Telephony on Lines", Leipzig 1948, p. 10;

Henney, "Radio- Engineering Handbook", New York 1950, pp. 36, 37, 487, 488.

For this purpose 2 sheets of drawings