Verfahren zur Frequenzumtastung, insbesondere für die Fl-Modulation von Funksendern Zur Übertragung telegraphischer Naehrieh- ten über Funkverbindungen, insbesondere Kurzwellen-"eitverbindungen, wird in letz ter Zeit in grossem Umfang das Frequenz- iuntastverfahren angewandt.,
und zwar sowohl in der Form der einfachen Frequenzumtastung als atteh bei den Twinplex- oder Duoplex- Verfahren in Form der Frequenzstufen- tastung.
U m die Frequenz eines [email protected] im Rhy tbinus der Telegraphiezeichen umzutasten, ist es bereits bekannt, eine Reaktanzröhre als Zusatzkapazität oder -induktivität,
zum Ire- quenzbestimmenden Schwingkreis parallel ztt schalten. Die Telegraphiezeichen werden dabei dem Gitter der Reaktanzröhre als Steuerspan nungen zugeführt. Zur Umtastung in meh rere Stufen kann man entweder die Signal spannungen zweier verschiedener Nachrichten addieren und gemeinsam als Steuerspannun gen für eine Reaktanzröhre verwenden oder man benutzt zwei Reaktanzröhren,
und zwar je eine für jede der beiden Na.chriehten. Bei der Frequenzumtastung mittels einer Reak- tanzröhre ist es notwendig, vor allem die Uintastspannungen zu stabilisieren. Bei hohen Anfordetaingen an die Frequenzkonstanz müs sen aueh die übrigen Betriebsspannungen stabilisiert und alle Teile, die in irgendeiner eise auf die Frequenz von Einfluss sind, in einem Thermostaten untergebracht werden.
Sollen befriedigende Ergebnisse erzielt wer den, so ist der Aufwand beträchtlich.
Ein anderes bekanntes Verfahren zur F're- quenzumtastung benutzt einen Röhrenoszilla- tor, bei dem neben dem normalen. Rückkopp lungsweg, über den eine von der Spannung am frequenzbestimmenden Sehwingkreis abge nommene Spannung zum Gitter der Schwing röhre geführt wird, für einfache F1=Tastung ein zweiter R.ückkopplüngsweg vorgesehen ist, über den eine vom Schwingkreisstrom abge leitete,
also um 90 phasengedrehte Spannung über einen steuerbaren Umpo er, zum Beispiel einem Ringmodulator, zusätzlich dem Gitter der Sehwingröhre zugeleitet wird. Die Steue rung des Umpolers erfolgt durch den T'ast- gleichstrom, also zum Beispiel durch Doppel- stromtelegraphiezeiehen. Je nach Polung der zusätzlichen Rückkopplungsspannung wird die am Gitter der Röhre wirksame Gesamtspan nung gegenüber .der Schwingkreisspannung um einen kleinen Phasenwinkel vor- oder nach eilend gedreht.
Dabei schwingt der Oszillator mit. einer um den eingestellten Frequenzhub oberhalb oder unterhalb der Eigenfrequenz des Schwingkreises liegenden Frequenz: Beim Twinplex-Verfahren, also bei Zweifach-h'1- Tastung, wird noch ein zweiter zusätzlicher Rückkopplungsweg eingeschaltet, so da.ss eine TTmtastung zwischen vier Frequenzen erfol gen kann, Der Aufwand für diesen, Umtast,
oszillator ist relativ gering, er erfordert jedoch viel Abgleicharbeit und ist für eine hohe Fre- quenzkoustanz der abzugebenden Spannung weniger geeignet.
Bei allen bekannten Verfahren ist ein er heblicher Aufwand notwendig, um die For derungen nach grosser Konstanz der auszu sendenden Frequenzen und der Symmetrie des Frequenzhubes zu erfüllen. Im allgemeinen müssen sämtliche Betriebsspannungen sta bilisiert und die frequenzbestimmenden 'Teile temperaturkompensiert oder in Thermostaten eingebaut werden. Im Falle der Verwendung von R.eaktanzröhren sind ausserdem die Steuer spannungen zu stabilisieren.
Es ist. zwar möglich, hochstabi1'e Oszillato- ren zu bauen, beispielsweise durch Verwen dung von Quarzen, diese lassen sich aber nur schwer oder nur mit Verschlechterung ihrer Konstanzeigenschaften in, der Frequenz beeinflussen, sind also für eine Frequenz- -,tmtastung verhältnismässig wenig geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Freqitenzumtastung, insbe sondere für die FZ-Modulation von Funk sendern zu schaffen, das die Nachteile der oben beschriebenen Verfahren nicht aufweist und bei dem die abgegebenen Spannungen eine grosse Frequenzkonstanz aufweisen.
Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht darin., dass die Trä.gerfrequenzspannung durch einen Generator und die Hubfrequenzspan- nung durch einen weiteren Generator erzeugt werden, die Trägerfrequenzspannung mit der Hubfrequenzspannung unter Verwendung von 14Zodulatoren moduliert wird und die Sum men- oder Differenzfrequenzspannung im Takt der Steuersignale wechselseitig unterdrückt wird.
Die Erfindung beschreitet also bei der r requenzumtastung einen vdllig neuen Weg. Während bei den bisher bekanntgewordenen Verfahren die Frequenz eines Generators durch die Eingangssignale zwischen zwei Wer ten umgetastet, also die T'rä.gerfrequenz zwi schen diesen beiden Werten geändert wurde, wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren ein. ,Generator für die unveränderliche Träger- frequenz und ein Generator zur Erzeugunj der Hubfrequenz verwendet.
Durch die 3lodu- lation der Trägerfrequenz mit der Hubfre quenz entstehen die beiden Frequenzwerte, zwischen denen bei den bekannten Verfahren der Generator umgetastet wird, gleichzeitig, und durch Unterdrückung der einen oder an dern dieser beiden Frequenzen wird die Fre- quenzumtastung bewirkt. Da. die Frequenz der abgegebenen Spannung im wesentlichen durch die Trägerfrequenz bestimmt wird, verwen det man als Trägerfrequenzgenerator mit. Vorteil einen hochstabilen, zum Beispiel quarz gesteuerten Generator.
Da. der Frequenzhub df im allgemeinen sehr klein im Vergleich zur Trägerfrequenz f o sein wird, brauchen an den zweiten Generator nur geringere Anfor derungen an Konstanz und Genauigkeit. der Frequenz gestellt. zu werden. Vorteilhaft bil det man diesen Generator veränderbar aus, so dass sich durch Verändern seiner Frequenz der Hub bequem und genau einstellen lässt.
An Band der Figuren, in denen Ausfüh rungsbeispiele zur Durchführung des erfin dungsgemässen Verfahrens dargestellt sind, wird nachfolgend die Erfindung näher er läutert.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Durchführung einer einfachen F1=Tastung und Fig.2 eine Variante der Ausgangsschal tung der Fig. 1.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbei spiel einer Schaltungsanordnung zur Durch führung einer einfachen I'1-Tastung und Fig. -1 ein solches für Zweifach-F1-T'astung dargestellt.
In Fig. 1 wird die Trägerfrequenzspan- nung f o im Generator S'1 erzeugt und dem Eingang E11 des Modulators 1T1 sowie nach einer Phasendrehung um 90 im Phasendre her P1 dem Eingang E21 des Modulators112 zugeführt. Die Hubfrequenzspannung 4f wird im Generator kf2 erzeugt und nach einer Pha sendrehung von 90 im Phasendreher P2 dem Eingang E22 des Modulators 312 zugeführt.
Die Hubfrequenz df wird ausserdem über den Tastm odulater T11" an dessen Steuereingan- N die Eingangssignale wirksam sind, dem Eingang<B>E12</B> des Modulators i1,11 zugeführt. Die Ausgänge der Modulatoren <B>311</B> und 172 sind hintereinander geschaltet, so dass sich die Ausgangsspannungen beider Modulatoren am Ausgang A überlagern.
Die Wirkungsweise der Schaltungsanord nung der Fig.1 ist folgende: Durch Modula tion der Trägerfrequenz f, mit der Hubfre quenz df im Modulator i'171, vorzugsweise einem Doppelgegentaktmodulator, zum Bei spiel einem.
Ringmodulator, erscheinen an des sen Ausgang vorwiegend die Summen- und Differenzfrequenzspannungen f" -i- 4f und f"-Jf. Modulationsprodukte höherer Ord nung lassen sieh durch einfache Filter leicht beseitigen.
Durch Modulation der in der Phase um 90 gedrehten Trägerfrequenzspannung mit. der ebenfalls um 90 gedrehten Hubfre- quenzspannung im Modulator D12., der zum Beispiel ebenfalls ein Doppel'gegentaktmodula- tor sein soll, entstehen an dessen Ausgang wieder vorwiegend die Summen- und die Differenzfrequenzspannungen, jedoch in einer andern Phasenlage als am Ausgang des Modu- lators <B>311.</B>
Wie weiter unten noch gezeigt wird, sind entweder die Summenfrequenzspannungen der beiden Modulatoren phasengleich und die Differenzfrequenzspannung in Gegenphase, oder aber es sind die Summenfrequenzspan- nungen gegenphasig und die Differenzfre- quenzspannungen phasengleich;
welcher der beiden Fälle eintritt., hängt davon ab, in wel- ehem Sinn eine der beiden Eingangsspan nungen am Eingang des Mod'ulators 1172, in der Phase gedreht wurde, also ob die Phasen drehung um 9'0 vor- oder rückwärts erfolgte.
Bringt man nun die Ausgangsspannungen beider Modulatoren auf gleiche Amplitude und addiert dieselben, so heben sich beispiels weise die Summenfrequenzspannungen auf und die Differenzfrequenzspannung erscheint mit doppelter Amplitude. Werden dagegen dieModulatorausgangsspannungen subtrahiert, so erscheint, dann die Summenfrequenzspan- nung mit doppelter Amplitude, und die Diffe- renzfrequenzspa.nnungen heben sich auf.
Der Frequenzumtastvorgang ergibt sich also durch im Rhythmus der Signale abwechselndes Ad dieren und Subtrahieren der Ausgangsspan nungen der beiden Modulatoren. Die Addi tion bzw. Subtraktion der Ausgangsspannun gen wird im vorliegenden Fall dadurch er zielt, dass man die vom Generator S'2 erzeugte Eingangsspannung des Modulators M1 durch den Tastmod2ilator T17 im Takte der Nach richtensignale umpolt.
Das zur Unterdrückung der Summen- bzw. Differenzfrequenzspannungen benutzte Kom pensationsverfahren ist aus der Einseiten bandtechnik an sich bereits bekannt. Die dort benutzten Scha.Itungsanordhungen dienen je doch nur zur Unterdrückung der T'rägerfre- quenzspannungen und: eines dIer beiden Sei tenbänder.
Die Wirkungsweise der Schaltungsanord nung der Fig. 1 lässt sich in einfacher Weise auch mathematisch erklären. Für die folgen den Erläuterungen seien Modula.t.oren mit rein quadratischer Kennlinie vorausgesetzt. Bei Verwendung dieser Modulatoren entstehen bekanntlich keine Modulationsprodukte höhe rer Ordnung.
Bezeichnet man mit .S2 die Kreis frequenz der Trägerfrequenz f" und mit die Kreisfrequenz der Hubfrequenz 4f, so lässt sich die Modulation der beiden (Schwingungen mit der Amplitude 1 im Mod\alator M1 durch folgenden mathematischen Ausdruck darstel len:
EMI0003.0083
In diesem Ausdruck ist cp ein beliebiger An fangsphasenwinkel. Dem Modulator i112. wer den dieselben Schwingungen, jedoch um 90 in der Phase gedreht, zugeführt.
Dies heisst aber, dass an Stelle der Sinus-F\anktion die Kosinus-F'unktion tritt, so dass man für den Modulationsvorgang im Modulator i172 folgen den Ausdruck erhält
EMI0003.0092
Bildet man die Summe von I und II, so er hält man cos (@Q <I>-</I> a<I>) t -</I> cp. Dieser Aus druck stellt aber nichts anderes dar als die Differenzfrequenz f o - df. .
Man sieht, dass sowohl die Trägerfrequenz als auch die Sum menfrequenz verschwunden ist und nur noch die Differenzfrequenz f o - df am gemein samen Ausgang A der Modulatoren 311 und M2 auftritt. Nach Änderung der Vorzeichen von I oder II ergibt die Addition: cos <I>[</I> (f2 <B>+<I>Co)</I></B><I> t</I> + 9p] Dieser Ausdruck stellt aber die Summenfre quenz f" <I>+</I> df dar.
Das Ändern des Vorzei chens von 1 oder II bedeutet nichts anderes als eine Umpolmg und wird im Ausführungs beispiel der Fig.1 durch den Tastmodulator T111 bewerkstelligt.
In Fig. 2 ist. eine Variante der Ausgangs schaltung der Fig. 1 dargestellt. Während in F'ig.1 die Ausgangsspannungen der Modula- toren 1T11 und 11T2 einander überlagert werden, werden die Ausgangsströme in Fig. 2 über die Entkopplungswiderstände W1 und W2 zu sammengeführt, und am Widerstand W3 ent steht entweder die untere oder die obere Sei tenfrequenz.
Es ist aber auch möglich, die Ausgangsströme der Modulatoren ?6T1 und IPI2 über eine Gabel oder Brückenschaltung zu vereinigen.
Die Phasendrehung um 90 wird im Aus führungsbeispiel der Fig.1 durch die Phasen dreher P1 und P2 erreicht. Es ist jedoch nicht notwendig, zu diesem Zweck besondere Netz werke zu verwenden. Die um 90 gegenein ander phasengedrehten Spannungen können beide beispielsweise vom frequenzbestimmen- den Schwingkreis des Oszillators abgenommen werden, wobei die Phasenlage der einen Span nung von der Schwingkreisspannung und die um 90 phasengedrehte Spannung vom Schwingkreisstrom abgeleitet wird. Diese bei den Spannungen sind bekanntlich um 90 ge geneinander phasenverschoben.
In Fig. 3 ist eine Variante der Schaltungs anordnung der Fig. 1 dargestellt. Für gleiche Bauelemente sind dieselben. Bezugszeichen ver- wendet. Bei dieser Sehaltun-sanordnung ist von folgender Tatsache Gehraueh gemacht:
Da sich- bei einer hohen Trägerfrequenz f o und relativ kleinem Frequenzhub .Jf die Aus gangsfrequenzen f " + J f und f o - z1 f des Modulators <B>311</B> nur wenig von der Tiägerfre- quenz f. unterscheiden, entsteht ein verhält nismässig kleiner Fehler, wenn an Stelle der dem Modula.tor :
l12 zugeführten Trägerfre- quenzspannung f o die Ausgangsspannung des Modulators 311 in der Phase gedreht wird.
In Fig. 3 wird die Trägerfrequenz wiederum im Generator S1 erzeugt und sowohl dem 1To- dulator 1Z1 als auch dem Modulator 1Z2 direkt zugeführt. Die Hubfrequenzspannung 4f wird wieder im Generator 7K2 erzeugt und direkt dem Modulator <B>311</B> sowie über den Phasen dreher P2 und den Tastmodulator TJ1 dem Modulator 1Z2
zugeführt.. Die Ausgangsspan nung des Modulators :I11 wird im Phasen dreher P3 in der Phase um. 90 gedreht und der Ausgangsspanniuig des Modulators 317 überlagert. Die so entstehenden Spannungen werden über die Trennröhre R1 dem Aus gang A zugeführt. Die Schaltungsanordnung der Fig.3 hat. den Vorteil, dass ein leicht regelbarer Phasendreher P3 zum Ausgleich von Phasenfehlern verwendet werden kann.
Trägerrestspannungen und Restspannun gen der jeweils nicht erwünschten Seiten frequenz, die durch Unsymmetrie der ModLi- latoren entstehen, können durch zusätzliche Symmetrieeinriehtungen hinreiehend klein ge halten werden.
Sie können jedoch auch prak- tiseh völlig beseitigt werden, wenn die am Ausgang a auftretenden Spannungen nicht unmittelbar oder nach Frequenzumsetzinmg ausgesendet. werden, sondern zum Mitziehen eines etwa. auf die Trägerfrequenz abgestimm ten selbstsehwingenden Oszillators geringer F'requenzkonstanz verwendet werden.
Im Gegensatz zu den eingangs erwähnten bekannten Verfahren zur Frequenzumtastung liefert das beschriebene Verfahren Signalfre- quenzspannungen, bei denen im Umtastaugen- blick keine Phasenkohärenz gewährleistet ist. In vielen, Anwendungsfällen ist dies kein Nachteil, in andern macht es sieh jedoch stö rend bemerkbar.
Durch weitere Massnahmen können jedoch die im Tastaugenblick auftre tenden Phasensprünge, die mit gleicher -Vahr- scheinl'ichkeit jeden Betrag zwischen 0 und 180 annehmen können, so herabgesetzt werden, dass sie eine bestimmte, nicht mehr störende Grösse nicht überschreiten. Diese Massnahme besteht darin, dass die F'requenz- umtastung bei einem ganzzahligen Vielfachen der Trägerfrequenz mit einem entsprechend vergrösserten F'requenzhub vorgenommen wird. Durch anschliessende Frequenzteihmg bzw.
durch Mitziehen eines mit der Trägerfrequenz selbst schwingenden Oszillators wird der Phasenwinkelsprung im gleichen ganzzahligen Verhältnis herabgesetzt, in dem die Frequenz teilung erfolgt.
Bei den gebräuchlichen Frequenzumtast- verfahren in mehreren Stufen, den sogenann ten Twinplex- oder Duoplexverfahren, wech selt die ausgesendete Schwingung zwischen vier Frequenzen, nämlich<I>f</I> o <I> d f 1 </I> J f2,. Dabei beträgt üblicherweise 4f <I>1</I> = 2.00 FIz und 4f2 = 400 Hz.
Da sieh ein an sich hoch stabiler Oszillator um einen kleinen Frequenz- betrag leichter verändern lässt als um einen grossen, kann beispielsweise der Trägerfre- quenzos7illator nach einem bekannten Verfah ren mit dem kleineren Frequenzhub d f 1 um getastet werden. Wird dieser Oszil:lator dann in einer Einrichtung nach Bild 1 oder 2 an Stelle des Trägerfrequenzoszillators S1 ver wendet, so kann hier die zweite Frequenz stufe 4f2 in der oben beschriebenen Weise hinzugefügt werden.
Der Trägerfrequenzoszil- lator wird also bei diesem Verfahren mit der ersten Nachricht frequenzumgetastet und seine Ausgangsspannungen an Stelle des Trä- gerfrequenzgenerators S1 benutzt. Die Fre- quenzumtastung durch die zweite Nachricht erfolgt dann in der für die Fig. 1 bis 3 be schriebenen Weise.
Es ist aber auch möglich, jeweils zwei Einrichtungen nach den Fig.1 bis 3 oder einer andern Variante hintereinander zu schalten, wobei die eine Einrichtung von der ersten Nachricht und die zweite Einrichtung von der zweiten Nachricht umgetastet wird.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbei spiel einer Frequenzumtasteinrichtung für zweifach Fl-Tastung (Twinplex) dargestellt. Wie in den vorhergehenden Ausführungs- beispielen, sind auch hier Generatoren für eine Trägerfrequenz und eine Hubfrequenz vorgesehen.
Der Trägerfrequenz-Generator lie fert jedoch nicht unmittelbar die Träger frequenz f o, sondern die Frequenz
EMI0005.0055
Der Generator - S2' liefert die Frequenz 2 4f, wobei df entsprechend dem bei Twinplex-Verfahren üblichen Frequenzhub von 200 4190 Hz, 200 Hz beträgt.
Falls am Ausgang der Einrichtung ein Frequenz- teiler mit dem Teilverhältnis<B>u:</B> 1 zur Herab setzung des Phasensprungwinkels im Um tastaugenblick vorgesehen ist, können die Frequenzen der Generatoren S1 und S2. um den Faktor n höher liegen. Für das Ausfüh rungsbeispiel der Fig.4 ist eine solche Fre- quenzteilung vorgesehen. Zur Umtastung der Nachricht I dienen der Tastmodulatur <I>T111</I> sowie die Modulatoren ?V13 und 314.
Zur Modulation der Nachricht II dienen gleich artige Einrichtungen, nämlich der Tastmodu- lator T112 und die Modulatoren 1111 und 312: Zur Umtastung ,der Nachricht I wird im T'rä- gerfrequenzgenerator S1 die Frequenz
EMI0005.0084
erzeugt und einmal direkt, dem Eingang E32 des Modulators <B>113</B> und nach einer Phasen drehung von 90 im Phasendreher P1 dem Eingang E42 des Modulators 1114 zugeführt.
Die im Generator S2 erzeugte Frequenz n 2 4f wird einmal' über den Ta.stmodulator T1111, der an seinem Eingang NI durch die Nach richt I gesteuert wird, dem Eingang E3'1 des Modulators I613, zum andern nach einer Phasendrehung von 90, im Phasendreher P2 dem Eingang E41 des Mod ulators 11T4 zuge führt.
Die Ausgänge der Modulatoren 1113 und 314 sind über nicht näher bezeichnete Ent- kopplungswiderstände zusammengeschaltet und an den Eingang des F'requenzteilers D1 geschaltet. Am Eingang dieses F'requenzteilers, der ein Teilverhältnis von 2:1 haben soll, liegt die Frequenz
EMI0006.0001
Das Vor zeichen von<I>2</I> dfi wird durch den 'Tastmodula- tor T,111 entsprechend der diesen steuernden Nachricht I gewechselt.
Am Ausgang des Fre- quenzteilers D1 tritt die Frequenz n,
EMI0006.0010
EMI0006.0011
auf. Diese Ausgangsspannung wird dein Eingang E52 des Umsetzermodulators <B>315</B> zu geführt.
In entsprechender Weise erfolgt die Modu lation der Nachricht II. Die Ausgangsspan nung des Generators S1 wird dazu. einmal direkt dem Eingang E12 des Modulators <B>311</B> und nach Phasendrehung im Phasendreher P1 dem Eingang E2;2;
des Modulators 11I2 zugeführt. Die Ausgangsspannung des,Genera- tors S2 wird über den Tastmodulator TiIZ2, der durch die an seinem Eingang<B>NI,</B> wirk same Nachricht II gesteuert wird, dem Ein gang E11 des Modulators 1111 und nach einer Phasendrehung um 90 im Phasendreher P2 dem Eingang E21 des Modulators 1T2 zu geführt.
Die Ausgänge der Modulatoren 1Z1 und 1112 sind über nicht näher bezeichnete Entkopplungswiderstände dem Eingang E51 des Umsetzermodulators <B>0,15</B> zugeführt. An diesem Eingang des 11lodulators tritt die Fre quenz auf, und da an seinem andern
EMI0006.0036
Eingang E52., wie bereits beschrieben, die Frequenz auftritt, entsteht an seinem Ausgang
EMI0006.0038
unter anderem das.
Modu- lationsprodukt n(fo dfi <I>2</I> dfii). Die Spannung dieser Frequenz wird durch das Filter F ausgesiebt und dein Frequenzteiler <I>D2,</I> der ein Teilverhältnis von n <I>:1</I> hat, zuge führt.
Am Ausgang dieses Frequenzteilers entsteht dann eine Spannung mit der Fre quenz<I>f</I> o <I> </I> Q <I>f</I> i 2 4 f ü. Dieser AILSdruclz stellt die an sich bekannten Ausgangsfrequen zen bei Twinplex-Verfahren dar. In ihm be deutet f. die Trägerfrequenz, dfi den durch die Nachricht I erzeugten Frequenzhub und 2 d f ii den durch die Nachricht II erzeug ten Frequenzhub.