DE1185721B - Schaltungsanordnung zur Umwandlung von amplitudenmodulierten Signalen in impulsfrequenzmodulierte Signale fuer kohaerentes Licht - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES '/WWW* PATENTAMT Internat. Kl.: HOIr

AUSLEGESCHRIFT

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H05b

Deutsche KL: 2If-90

J 25774 VIII c/21f
6. Mai 1964
21. Januar 1965

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Informationen über kohärentes Licht.

Optische Sender erzeugen bekanntlich kohärente Ausgangsstrahlen, deren Wellenlänge im infraroten oder auch sichtbaren Bereich des Spektrums liegen können. Durch Verwendung geeigneter Vorrichtungen kann außerdem erreicht werden, daß die Strahlung bei einer geringen Linienbreite sehr stark fokussiert ist, so daß damit an sich ein nahezu ideales Mittel für die Nachrichtenübertragung gegeben sein kann.

Aus diesem Grunde sind bereits mehrere Versuche bekanntgeworden, die sich des kohärenten Lichtes als Informationsträger bedienen. Aber die hierzu aufgebauten Übertragungssysteme haben gezeigt, daß is der Aufwand hierfür doch beträchtlich ist. Hierunter fallen am meisten ins Gewicht die sehr hohe erforderliche Betriebsleistung, die äußeren Abmessungen der notwendigen Geräte und damit verbunden die Unmöglichkeit, eine solche Anlage als bewegliche Station einzurichten. Die neuere Entwicklung der Technik der optischen Sender scheint aber mit dem Auftreten der selektiv fluoreszenten Injektionshalbleiterdioden Möglichkeiten aufzuzeigen, mit der die bei einer solchen Nachrichtenübertragung verbündenen Schwierigkeiten überwunden werden können. Jedoch sind bis jetzt diese Injektionshalbleiterdioden nicht über Laboranwendungen hinaus verwendet worden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, mit Hilfe von Injektionshalbleiterdioden einen optischen Sender zur Übertragung von Nachrichten über kohärentes Licht bereitzustellen, wobei die oben angeführten Nachteile weitgehend ausgeschaltet sind. Dieser optische Sender soll bei niedriger Betriebsgleichspannung und mit möglichst geringer Störanfälligkeit der Modulation des kohärenten Lichtes arbeiten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Schaltungsanordnung zur Umwandlung von amplitudenmodulierten Signalen in impulsfrequenzmodulierte Signale dadurch gelöst, daß die amplitudenmodulierten Signale einem zweistufigen galvanisch gekoppelten Verstärker zugeführt werden, dessen im Takt der Amplitudenmodulation sich ändernder Ausgangsstrom die Kondensatoren einer Laufzeitkette auflädt? die ihrerseits bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwertes eine Schaltvorrichtung zur Übertragung des Kondensatorentladungsstromes auf eine selektiv fiuoreszente Halbleiterdiode auslöst und gleichzeitig über ein Zeitglied einen Sperrimpuls auf einen Steuereingang des Verstärkers zurückführt.

Schaltungsanordnung zur Umwandlung
von amplitudenmodulierten Signalen in impulsfrequenzmodulierte Signale für kohärentes Licht

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Robert Charles Green, Bethesda, Md. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 17. Mai 1963 (281156)

Die Erfindung soll nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

F i g. 2 die verwendete Schaltungsanordnung im einzelnen und

F i g. 3 ein Beispiel für die Charakteristik der hierbei verwendeten Vierschichtdiode.

In der nachstehenden Beschreibung ist der optische Sender eine Vorrichtung, die ein sprachfrequenzmoduliertes optisches Signal aussendet. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Übertragung von Sprachfrequenzen beschränkt zu sein braucht, sondern unter anderem auch zum Senden digitaler Datensignale dienen kann.

Der Anordnung nach F i g. 1 wird ein tonmoduliertes Spannungssignal über den Eingang 10 und einen Verstärker 12 zugeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 12 steuert einen Strommodulator 14. Dadurch folgt der Momentanwert des Gleichstroms in der Leitung 15 dem Momentanwert der Spannung des Eingangssignals 10. Ein Impulsformer 16 empfängt den modulierten Strom von der Leitung 15 und veranlaßt die Vorbereitung einer Schaltervorrichtung zur Durchschaltung. Die Schaltvorrichtung 18 schaltet in einer weiter unten beschriebenen Art und Weise von einer hohen Impedanz auf eine niedrige Impedanz um, wenn der anliegende Spannungspegel einen

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vorherbestimmten Wert erreicht. Bei Durchschaltung der Schaltvorrichtung 18 wird ein Stromimpuls übertragen, der mit Hilfe eines Kondensators im Impulsformernetzwerk 16 erzeugt wird, und erscheint auf der Ausgangsleitung 19. Dieser Impuls wird einer selektiv fluoreszenten Halbleiterdiode zugeführt und schaltet diese kurzzeitig »ein«. Dies bewirkt den Austritt eines Strahlungsimpulses aus dem optischen Sender.

Schalter in der Art der Schaltvorrichtung 18 neigen dazu, in ihrem Zustand niedriger Impedanz zu bleiben, wenn sie einmal in diesen Zustand geschaltet worden sind. Um eine Impulsfolge mit Hilfe der Schaltvorrichtung zu übertragen, ist es deshalb erforderlich, zusätzliche Schaltungsmaßnahmen vorzusehen, um die Schaltvorrichtung nach jedem Entladungsimpuls wieder schnell in den Zustand hoher Impedanz zurückzubringen. Zu diesem Zweck ist eine Sperrschaltung 22 vorgesehen. Diese Schaltung, die noch näher beschrieben wird, spricht beim Auftreten eines Ausgangsimpulses auf der Leitung 19 an und überträgt daraufhin einen Sperrimpuls zur Strommodulationsvorrichtung 14. Dieser Impuls bewirkt dann die Rückstellung der Schaltvorrichtung 18 in den Zustand hoher Impedanz.

Bei Rückstellung der Schaltvorrichtung 18 wird aber bereits ein anderer Ausgangsimpuls im Impulsformer 16 vorbereitet, der, wie oben beschrieben, in Erscheinung tritt, wenn die entsprechende Spannung an der Schaltvorrichtung 18 anliegt. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Ausgangsimpulsen wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der sich der Kondensator im Impulsformer 16 auf den vorherbestimmten Spannungspegel aufladen kann. Diese Geschwindigkeit wird durch den Stromfluß in der Leitung 15 bestimmt, der, wie oben erwähnt, entsprechend dem Tonfrequenzsignal moduliert ist. Es ergibt sich demnach, daß die auf Leitung 19 auftretende Impulsfolge als Impulsmodulation dem tonfrequenten Eingangssignal auf der Leitung 10 entspricht, d. h., die Amplituden des Eingangssignals entsprechen den Impulsen des Pulsfrequenzmodulationssignals, und die Frequenzanteile des Eingangssignals wiederholen sich im Pulsfrequenzmodulationssignal jeweils als Änderung der Impulsfolgefrequenz.

Das Pulsfrequenzmodulationssignal auf Leitung 19 wird dem optischen Halbleiterdiodensender 20 zugeführt, so daß dieser eine entsprechende Folge von Strahlungsimpulsen abgibt. Auf diese Weise entsteht ein pulsfrequenzmoduliertes Lichtsignal, insbesondere Infrarotsignal. Infolge der Kohärenzeigenschaften ist ein solches Signal sehr gut als Informationsträger über lange Entfernungen geeignet.

Optische Empfangsvorrichtungen, die das Signal feststellen und demodulieren können, sind in der Technik bekannt. Zum Beispiel kann eine Photovervielfacherröhre, die vorzugsweise mit einer geeigneten Optik ausgerüstet ist, in Verbindung mit herkömmlichen PFM-Demodulationsschaltungen als geeigneter Empfänger für die von dem erfindungsgemäßen optischen Sender erzeugten Signale verwendet werden.

Die Blockschaltung nach F i g. 1 wird nun an Hand von F i g. 2 im einzelnen beschrieben. Das Tonfrequenzsignal wird einer Eingangsklemme 30 zügeführt, die an die Basis eines Verstärker-Transistors T₁ angeschlossen ist. Dadurch wird ein verstärktes Tonfrequenzsignal über die Leitung 32 zur Basis eines zweiten Transistors T₂ übertragen. Der Transistor T., arbeitet normalerweise als A-Verstärker und erfüllt die Aufgabe des Strommodulators 14 in Fig. 1. Der Momentanwert des durch den Transistor T.-, übertragenen Gleichstroms entspricht dem Momentanwert der Spannung des der Basis des Transistors zugeführten Signals. Der Strom auf Leitung 34 wird also entsprechend dem Tonfrequenzsignal an der Eingangsklemme 30 moduliert.

Der Strom auf der Leitung 34 wird über eine herkömmliche LC-Verzögerungsleitung 36, die als Impulsformerschaltung wirkt, zur Erde abgeleitet. Die Verzögerungsleitung 36 erfüllt also die Aufgabe des Impulsformers 16 in Fig. 1. Die Kondensatoren der Verzögerungsleitung werden mit einer Geschwindigkeit aufgeladen, die von der Größe des Stromflusses in der Leitung 34 abhängt. Daher ist der sich auf der Ausgangsleitung 38 bildende Spannungspegel vom Ladungszustand der Kondensatoren in der Verzögerungsleitung 36 abhängig. Es läßt sich also sagen, daß sich die Geschwindigeit des Spannungsanstieges auf dieser Leitung entsprechend dem Stromfluß in der Leitung 34 ändert.

Die P-Schicht einer PNPN-Diode 40 ist an die Ausgangsleitung 38 angeschlossen. Die Vierschichtdiode 40 stellt eine Schaltvorrichtung mit geknickter Kennlinie dar, die in Fig. 3 gezeigt wird. Wenn die Diode im Bereich I betrieben wird, dann besitzt sie eine hohe Impedanz. Beim Ansteigen der Spannung an der Diode ist die Stromzunahme relativ gering. Wird jedoch die Schaltspannung V_s erreicht, dann schlägt gewissermaßen die Diode durch und wird schnell über den Bereich II in den Bereich III umgeschaltet, so daß sie nunmehr eine relativ niedrige Impedanz bietet. Solange nur ein minimaler Haltestrom I_n durch die Diode fließt, besitzt sie eine niedrige Impedanz und bleibt im Schaltzustand des Bereichs III. Zur Rückstellung der Diode in ihren Zustand hoher Impedanz muß der durch sie hindurchgeleitete Strom unter den Minimalpegel von /_/; abgesenkt werden.

Gemäß F i g. 2 ist die iV-Klemme der Vierschichtdioden 40 mit der Anode einer selektiv fluoreszenten Halbleiterdiode 40 über die Ausgangsleitung 41 verbunden. Die Kathode der selektiv fluoreszenten Halbleiterdiode 42 ist geerdet.

Die in F i g. 1 als Block 22 dargestellte Verriegelungsschaltung weist als wesentliche Bestandteile die Widerstände R₁ und R₂, den Kondensator C₁ und die Transistoren T₃ und T₄ auf. Der Emitter des Transistors T₁ ist über eine Leitung 47 zur Basis des Strommodulationstransistors T₂ rückgekoppelt. Der Transistor T₃ ist normalerweise in den leitenden Zustand vorgespannt, so daß der Kondensator C₁ einen Aufladepfad relativ niedriger Impedanz durch die Basis-Emitter-Grenzschicht des Transistors T₃ besitzt. Wenn jedoch der Kondensator C₁ sich zu entladen beginnt, wird die Basis-Emitter-Grenzschicht des Transistors T₃ in Sperrichtung vorgespannt, und der Kondensatorentladungsstrom fließt durch den Widerstand R₂ zur Erde. Der Transistor T₃ wird für die Dauer der Entladeperiode von C₁, deren Länge durch die Zeitkonstante des C_x-i?₂-Gliedes bestimmt wird, nichtleitend gehalten.

Während der Zeit, in der T₃ nichtleitend ist, bildet sich ein positiver Spannungsimpuls auf der Leitung 45, der durch den Emitterfolgetransistor T₄ verstärkt und über die Leitung 47 zur Basis des Tran-

sistors T₂ übertragen wird. Die Amplitude dieses positiven »Rückkopplungs«-Impulses reicht aus, um den Transistor T₂ in den nichtleitenden Zustand vorzuspannen und dadurch den Stromübergang zur Vierschichtdiode 40 zu sperren. Wie oben bereits ausgeführt, ist dieser Zustand notwendig, um die Vierschichtdiode in den Zustand hoher Impedanz umzuschalten. Da der Strom für eine endliche Zeitdauer unter dem /_/f-Wert (Fig. 3) gehalten werden muß, im typischen Falle für die Dauer mehrerer Zehntel einer Mikrosekunde, damit eine Rückstellung eintreten kann, müssen die Werte von C₁ und i?₂ so gewählt werden, daß der Sperrimpuls eine entsprechende Breite erhält.

Nachstehend wird die Arbeitsweise der Schaltung im einzelnen beschrieben, um ein Ausgangssignal auf der Leitung 41 zu erzeugen, das im Informationsinhalt dem tonfrequenzmodulierten Eingangssignal an Klemme 30 entspricht. Die Kondensatoren der Verzögerungsleitung 36 werden mit einer Aufladungsgeschwindigkeit aufgeladen, die durch die Größe des in der Leitung 34 fließenden Gleichstroms bestimmt wird. Die Größe dieses Stroms zu einem gegebenen Zeitpunkt hängt von der Größe des tonfrequenzmodulierten Spannungssignals ab, das der Basis des Transistors T₂ zugeführt wird. In der Ausgangsleitung 41 kann kein Strom fließen, da die Vierschichtdiode 40 im Zustand hoher Impedanz ist.

Wenn die Spannung an den Kondensatoren der Verzögerungsleitung 36 den Entladungspegel V_s (Fig. 3) erreicht, geht die Vierschichtdiode 40 in den Zustand niedriger Impedanz über, und die Kondensatoren der Verzögerungsleitung entladen sich in einem Stromimpuls über die Vierschichtdiode 40 auf die Ausgangsleitung 41. Die Anstiegszeit dieses Impulses wird bestimmt durch die Schaltgeschwindigkeit der Vierschichtdiode 40, und die Breite des Impulses wird durch die elektrische Länge der Verzögerungsleitung 36 bestimmt. Die Abfallzeit des Impulses hängt von der Güte Q der Verzögerungsleitung ab.

Beim Absinken des Ausgangsimpulses auf Null muß die Vierschichtdiode 40 in den Zustand hoher Impedanz gebracht werden, damit der Arbeitsablauf der Schaltung wieder von vorn beginnen und ein weiterer Impuls erzeugt werden kann. Aber der durch den Transistor T₂ fließende Strom genügt jedoch, um die Vierschichtdiode 40 im Zustand niedriger Impedanz zu halten. Nun setzt die Wirkung der oben beschriebenen Sperrschaltung ein, so daß der Transistor T₂ gesperrt und die Vierschichtdiode 40 in den Zustand hoher Impedanz zurückgeschaltet wird.

Während der Anstiegszeit des Ausgangsimpulses wird der Kondensator C₁ aufgeladen. Wenn nun der Ausgangsimpuls abzufallen beginnt, entlädt sich C₁ durch R₂ und überträgt damit einen Sperrimpuls zur Basis des Transistors T₂. Der Sperrimpuls ist lang genug, um die Vierschichtdiode 40 rückzustellen.

Nach erfolgter Rückstellung der Vierschichtdiode beginnen sich die Kondensatoren der Verzögerungsleitung 36 durch den Transistor T₂ erneut aufzuladen, so daß ein neuer Arbeitsablauf beginnt. Auf diese Weise entstehen auf der Ausgangsleitung 41 Impulssignale, deren Informationsinhalt den tonfrequenzmodulierten Eingangssignalen entspricht.

Die an die Ausgangsleitung 41 angeschlossene 6g selektiv fluoreszente Halbleiterdiode 42 wird entsprechend dem Auftreten von Ausgangsimpulsen ein- und ausgeschaltet. Die dann von dem optischen Sender abgegebene Ausgangsstrahlung stellt ein optisches Impulsfrequenzmodulationssignal dar, das die im tonfrequenzmodulierten Eingangssignal enthaltene Information wiedergibt.

Als selektiv fluoreszente Halbleiterdiode können verschiedene bekannte Medien dieser Art verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Galliumarseniddiode benutzt werden, wenn die Wellenlänge der gewünschten Ausgangsstrahlung im Bereich von etwa 8300 A liegen soll. Andere Strahlungsfrequenzen lassen sich durch die Verwendung anderer Medien erreichen. Es ist zweckmäßig, die selektiv fluoreszente Halbleiterdiode und ihre Stromleitungen mit der Verzögerungsleitung 36 impedanzmäßig so anzupassen, daß eine wirksame Stromimpulsentladung erreicht wird.

Während der in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschriebene spannungsempfindliche Stromschalter durch eine Vierschichtdiode realisiert wird, können auch andere spannungsempfindliche Durchschlagschalter verwendet werden, wie z. B. eine gasgefüllte gesteuerte Entladungsröhre.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß der erfindungsgemäße Lichtsender einen durch Informationen modulierten kohärenten Lichtstrahl erzeugt. Der optische Sender wird nur mit einer einzigen Gleichspannungsquelle, z. B. mit einer Batterie oder einer Photozelle, betrieben. Außerdem wird eine Halbleiterdiode verwendet, die ein sehr einfacher und zuverlässiger Erzeuger kohärenter Strahlung ist. Durch Impulsbetrieb des optischen Senders erhält man eine sehr wirksame Energieübertragung. Durch Verwendung eines Impulsfrequenz-Modulationsverfahrens ist das Ausgangslichtsignal viel weniger Verzerrungen unterworfen als ein impulsamplitudenmoduliertes Signal oder, allgemein, ein beliebiges Amplitudenmodulationssignal. Dies ergibt sich daraus, daß der Empfänger nur das Vorliegen eines Impulses festzustellen braucht, um das Signal verarbeiten zu können.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung von amplitudenmodulierten Signalen in impulsfrequenzmodulierte Signale zur Übertragung von Informationen über kohärentes Licht, dadurch gekennzeichnet, daß die amplitudenmodulierten Signale einem zweistufigen galvanisch gekoppelten Verstärker (T₁, T₂) zugeführt werden, dessen im Takt der Amplitudenmodulation sich ändernder Ausgangsstrom die Kondensatoren einer Laufzeitkette (36) auflädt, die ihrerseits bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwertes eine Schaltvorrichtung (40) zur Übertragung des Kondensatorentladestromes auf eine selektiv fluoreszente Halbleiterdiode (42) auslöst und gleichzeitig über ein Zeitglied (T₃, T₄) einen Sperrimpuls auf einen Steuereingang des Verstärkers (T₂) zurückführt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (40) aus einer Vierschichtdiode besteht.

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrimpuls von einem Impuls abgeleitet wird, der am Verbindungspunkt der selektiv fluoreszenten Halbleiterdiode (42) mit der Vierschichtdiode (40) entsteht und einen über eine normalerweise

leitende Transistorstrecke (T₃) geladenen Kondensator (C₁) unter gleichzeitiger Sperrung der Transistorstrecke entlädt, so daß der bei Sperrung der Transistorstrecke (T₃) entstehende Impuls nach entsprechender Verstärkung (T₄) als Sperr-

impuls für den zweistufigen Verstärker (T₂) dienen kann.

In Betracht gezogene Druckschriften: »Elektro Technik« vom 13. 4. 1963, S. 12 bis 14.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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