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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für Landeanflugsysteme
zum Amplitudenvergleich von zwei zu vergleichenden Signalen verschiedener Frequenz,
welche einem von einem Sender ausgestrahlten Träger aufmoduliert sind, mit einem
den so modulierten Träger aufnehmenden und die zu vergleichenden Signale als Ausgangssignale
liefernden Empfänger.
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Aus der allgemeinen elektrischen Meßtechnik sind zwar Methoden bekannt
(Elektrotechnische Zeitschrift, Ausgabe B, Bd. 12, Heft 15 vom 25. Juli 1960, S.
360 bis 366), um die Amplituden zweier Spannungen oder Ströme mit hoher Genauigkeit
zu vergleichen, jedoch sind sie nicht für den Amplitudenvergleich von elektrischen
Signalen verwendbar, die eine verschiedene Frequenz haben, wie es bei Landeanflugsystemen
der Fall ist.
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Bei einem Landeanflugsystem, das als ILS (Instrument Landing System)
bekannt ist, wird die Führung für die Annäherung eines Flugzeuges an eine Landebahn
innerhalb der vertikalen Landekursebene mit Hilfe von zwei Richtfunkstrahlen mit
der gleichen Trägerfrequenz bewirkt, wobei der eine mit einer Frequenz von 90 Hz
und der andere mit einer Frequenz von 150 Hz moduliert ist. Die beiden Strahlen
überlappen sich zum Teil, um eine Funkschneise zu ergeben, die die Annäherungsrichtung
zu der Landebahn. anzeigt. Bei der ILS-Gleitweganzeige werden zwei Strahlen einer
anderen Trägerfrequenz verwendet, die mit zwei Modulationsfrequenzen moduliert ist.
Es wurde vorgeschlagen, daß der Teil der ILS-Anordnung, der zur Azimutführung dient,
auch zur Steuerung der Landekursebene bei Blindlandungen von Flugzeugen verwendet
werden könnte, jedoch wird bei einem solchen Blindlandesystem eine wesentlich höhere
Genauigkeit verlangt als bei der Anflugführung. Bisher wurde der Amplitudenvergleich
der Modulation von zwei Signalen verschiedener Frequenz auf einer einzigen Trägerfrequenz
so vorgenommen, daß die Trägerwelle demoduliert wurde und die beiden Modulationssignale
verschiedener Frequenz in Filtern getrennt und dann die Amplituden der beiden getrennten
Modulationssignale verglichen wurden. Die durch die Filter bedingten Verluste beeinflussen
die Amplituden der beiden getrennten zu vergleichenden Signale, daher wird auch
die Genauigkeit des Signalvergleiches beeinflußt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für Landesysteme
der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß mit ihr ein Vergleich der Amplituden
zweier einem gemeinsamen Träger aufmodulierten Modulationssignale verschiedener
Frequenz mit hoher Genauigkeit möglich ist, ohne daß diese beiden Modulationssignale
voneinander getrennt werden müssen. Darüber hinaus soll die erfindungsgemäße Anordnung
für Landeanflugsysteme für jeden beliebigen Amplitudenvergleich zweier elektrischer
Signale verschiedener Frequenz geeignet sein.
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Die Aufgabe ist gelöst durch einen Bezugssignalgenerator für die
Erzeugung eines Bezugssignals, dessen Frequenz gleich dem arithmetischen Mittelwert
der Frequenzen der beiden zu vergleichenden Signale ist, durch Vorrichtungen zur
Einstellung der Phase des Bezugssignals, durch einen Modulator zur Modulation des
in seiner Phase steuerbaren Bezugssignals mit zugleich beiden zu vergleichenden
Signalen und durch einen Detektor zur Gleichrichtung derjenigen Ausgangssignalkomponente
des Modulators, deren Frequenz gleich der Hälfte der Differenz der Fre-
quenzen der
beiden zu vergleichenden Signale ist.
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Durch eine Einregelung der Phaseneinstellvorrichtung auf eine minimale
Amplitude des Ausgangssignals des Detektors wird nun erreicht, daß die Amplitude
des Detektors der Differenz der Amplituden der beiden Eingangssignale entspricht
und daß sie dann Null ist, wenn die beiden Signale einander gleich sind. Mit der
erfindungsgemäßen Anordnung kann die Gleichheit der Amplituden zweier Eingangssignale
verschiedener Frequenz mit einer sehr hohen Genauigkeit, die beispielsweise in der
Größenordnung von 0,5 bis 0, 1% liegt, festgestellt werden. Diese Genauigkeit ist
wesentlich höher als sie bisher mit jeder anderen Anordnung erreicht werden konnte,
bei der die beiden zu vergleichenden Signale durch Filter voneinander getrennt werden
mußten.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung
kann der Bezugssignalgenerator eine Vorrichtung erhalten, welche das Bezugssignal
aus beiden zu vergleichenden Signalen ableitet.
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Die Vorrichtung zur Ableitung des Bezugssignals kann Mittel zur Erzeugung
einer Signalkomponente mit der Summenfrequenz und einer Signalkomponente mit der
Differenzfrequenz aus den beiden zu vergleichenden Signalen aufweisen. Zur Aussiebung
der Signalkomponente mit der Summenfrequenz kann ein Filter vorgesehen sein. Ferner
kann ein Frequenzzähler vorgesehen sein, der die Frequenz der aus dem Filter erhaltenen
Signalkomponente mit der Summenfrequenz durch den Faktor 2 teilt.
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Die Vorrichtung zur Ableitung des Bezugssignals kann einen Schaltkreis
mit einer nichtlinearen, vorzugsweise einer quadratischen Charakteristik aufweisen,
dessen Ausgangssignal ein Filter durchläuft, das auf die mittlere Frequenz abgestimmt
ist.
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Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung kann darin
bestehen, daß die Vorrichtung zur Ableitung des Bezugssignals einen regelbaren Frequenzgenerator
aufweist, der ein Signal erzeugt, dessen Frequenz etwa gleich dem doppelten Mittelwert
der beiden zu vergleichenden Signale ist, und hierzu eine Vorrichtung enthält, die
das Ausgangssignal des Generators mit dem einen der zu vergleichenden Signale zur
Erzeugung von entsprechenden Summen- und Differenzfrequenzen aufweisenden Signalkomponenten
kombiniert, ferner eine Vorrichtung, in der die Summen- und Differenzfrequenzen
aufweisenden Signalkomponenten mit dem anderen zu vergleichenden Signal kombiniert
werden und in der ein Regelsignal erzeugt wird, dessen Gleichstromkomponente zur
Regelung der Frequenz des Generators auf einen minimalen Wert geregelt wird, und
schließlich eine Vorrichtung zur Ableitung eines Signals aus dem Ausgangssignal
des Generators, welches eine Frequenz aufweist, die gleich der halben Frequenz des
Ausgangssignals des Generators ist.
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Das Bezugssignal kann von dem Sender der ILS-Station als zusätzliche
Modulation des Trägers, auf dem auch die miteinander zu vergleichenden Signale aufmoduliert
sind, ausgestrahlt werden. Die zusätzliche Modulation kann eine Amplitudenmodulation
sein, deren Phase gegenüber der mittleren Phase der beiden aufmodulierten zu vergleichenden
Signale um 90O verschoben ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch als Uberwachungsempfangsanordnung
am Boden dienen.
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In diesem Falle kann das Bezugssignal von dem
ILS-Sender
zum Prüfempfänger übertragen werden.
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Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung kann ferner darin
bestehen, daß der Detektor ein phasenempfindlicher Gleichrichter ist und daß dem
Detektor ein Vergleichssignal zugeführt ist, dessen Frequenz gleich der Hälfte der
Differenz der Frequenzen der beiden zu vergleichenden Signale ist und dessen Phase
so abgeglichen ist, daß der Detektor diejenige Ausgangssignalkomponente des Modulators
gleichrichtet, deren Frequenz ebenfalls gleich der Hälfte der Differenz der Frequenzen
der beiden zu vergleichenden Signale ist, wobei der Amplitudenwert dieser Ausgangssignalkomponente
der Differenz der Amplituden der beiden zu vergleichenden Signale entspricht, das
gleichgerichtete Signal aber durch gegebenenfalls auftretende Störkomponenten infolge
von Phasenfehlern des Vergleichssignals verfälscht ist. Dabei können Mittel vorgesehen
sein, mit denen die Phase des Vergleichssignals, das in den Modulator eingespeist
wird, um 90" zu verschieben ist, wobei die Amplitude des Ausgangssignals des phasenempfindlichen
Gleichrichters proportional der Summe der Amplituden der beiden zu vergleichenden
Signale ist. Ferner kann ein zweiter phasenempfindlicher Gleichrichter vorgesehen
sein, dem ein in bezug auf das dem ersten phasenempfindlichen Gleichrichter zugeführte
Vergleichssignal frequenzgleiches, aber um 90" phasenverschobenes Vergleichssignal
zugeführt ist. Zur Anzeige der Ausgangssignale des zweiten phasenempfindlichen Gleichrichters
kann eine Anzeigevorrichtung vorgesehen sein.
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Um die Phase des Vergleichssignals mit der halben Differenzfrequenz,
das dem oder den phasenempfindlichen Gleichrichtern zugeführt wird, steuern zu können,
kann ein geeichter Phasenschieber vorgesehen sein.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Anordnung gemäß einer Weiterbildung
eine Regelvorrichtung umfassen, die die Phase des Bezugssignals derart regelt, daß
die Amplitude des Ausgangssignals des zweiten phasenempfindlichen Gleichrichters
einen minimalen Wert annimmt.
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Zur Bestimmung des Modulationsgrades des mit den zu vergleichenden
Signalen modulierten Trägers kann eine Vorrichtung zum Vergleich der Amplitude des
Ausgangssignals des zweiten phasenempfindlichen Gleichrichters mit der Amplitude
des Trägers vorgesehen sein.
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Soll die erfindungsgemäße Anordnung zum Vergleich der Amplituden
von zwei Signalen mit Frequenzen verwendet werden, deren Mittelwert ein Vielfaches
der Differenzfrequenz der beiden Signale ist, so kann das Vergleichssignal für den
oder die phasenempfindlichen Gleichrichter aus dem Bezugssignal mittlerer Frequenz
abgeleitet sein.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch zur Uberwachung einer ILS-Station
dienen. In diesem Falle kann sie eine Regelvorrichtung zur Regelung einer der Amplituden
der beiden zu vergleichenden Signale umfassen, derart, daß die Gleichheit der Amplituden
der beiden Signale am Ort des Uberwachungsempfängers aufrechterhalten wird.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann ferner für den Amplitudenvergleich
der von einer ILS-Sendeanordnung stammenden, in einem Flugzeug empfangenen Modulationssignale
ausgebildet sein.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung
an Hand der Zeichnungen beschrieben.
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F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Empfangsvorrichtung zum
Amplitudenvergleich der Modulation zweier Signale in einem Instrumentenlandeverfahren
(ILS); F i g. 2 zeigt als Blockschaltbild eine Vorrichtung zur Messung des Modulationsgrades
bei einem Instrumentenlandesystem (ILS); F i g. 3 zeigt ein Blockschaltbild, aus
dem die Verwendung der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung als Prüfempfänger und
als Steuerungssystem für das Amplitudenverhältnis der Modulationssignale zu ersehen
ist; F i g. 4, 5 und 6 sind Blockschaltbilder verschiedener Anordnungen zur Erzeugung
eines Signals der mittleren Frequenz aus zwei Eingangssignalen, die in der Vorrichtung
nach F i g. 1 verwendet werden können; Fig.7 zeigt in einem Blockschaltbild, wie
die gewünschten Signale der mittleren Frequenz aus dem Sender eines ILS-Systems
erhalten werden.
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In F i g. 1 ist ein Prüfempfänger eines Instrumentenlandesystems
(ILS) dargestellt, der das Amplitudenverhältnis zweier Modulationssignale verschiedener
Frequenzen feststellt. Wie unter Bezugnahme auf F i g. 7 näher erklärt wird, kann
dieses Gerät auch dazu verwendet werden, den Modulationsgrad dieser beiden dem Träger
aufmodulierten Signale zu bestimmen. Im folgenden wird angenommen, daß das Instrumentenlandesystem
(ILS) mit den Standardmodulationsfrequenzen von 90 und 150 Hz arbeitet.
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Die Hochfrequenzsignale, die eine Frequenz in der Größenordnung von
110 MHz haben, werden über eine Antenne 10 empfangen und an einen Empfänger mit
Demodulator 11 übertragen, dessen demoduliertes Ausgangssignal die beiden Modulationsfrequenzen
von 90 und 150 Hz enthält.
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Diese demodulierten Signale werden einem Bezugssignalgenerator 12
zugeführt, der aus den beiden Modulationssignalen ein Signal mit der mittleren Frequenz
von 120 Hz erzeugt. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen. Ausführungsformen
geeigneter Bezugssignalgeneratoren sind in den F i g. 4, 5 und 6 dargestellt und
werden weiter unten beschrieben. Der Bezugssignalgenerator 12 liefert zwei Ausgangssignale
mit 120 Hz, deren Phase gegeneinander um 90" verschoben ist. Diese beiden Ausgangssignale
liegen an den Leitungen 13 und 14. Jeweils eines der beiden Ausgangssignale kann
über den Schalter 15 abgegriffen und einem Gegentaktmodulator 16 zugeführt werden.
Dieser Gegentaktmodulator mischt das von der Leitung 13 oder 14 kommende Bezugssignal
mit den Ausgangssignalen des Empfängers 11.
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Die Ausgangssignalamplitude des Gegentaktmodulators ist zu jedem Zeitpunkt
proportional dem Produkt der Momentan werte der Eingangssignalamplituden.
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Bevor mit der Beschreibung der F i g. 1 fortgefahren wird, ist es
erforderlich, auf die mathematische Erklärung eines solchen Gegentaktmodulators
einzugehen.
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Die beiden zu vergleichenden Signale seien Fl (t) = A sin w1t und
F2(t) = B sin (a) 2t + 0).
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Darin sind A und B die Amplituden, w, und (,,2 die Frequenzen und
0 der Phasenwinkel zwischen den beiden Signalen zur Zeit t = 0.
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Die beiden Signale liegen gleichzeitig an einem Eingang eines Gegentaktmodulators
als Summensignal: F(t) = F1(t) + F2(t) = A sin #1 t + Bsin (<>2 t + (-)).
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Am anderen Eingang des Gegentaktmodulators liege ein Modulationssignal:
F3(t)=1#cos(#####t+ Die Amplitude des Modulationssignals sei der Einfachheit halber
mit 1 angenommen, # ist der Phasenwinkel zur Zeit t = 0 gegenüber dem Signal F,
(t).
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Am Ausgang des Modulators erscheint dann ein Ausgangssignal: #1+#2
G(t)=F(t)#F3(t)=[A sin #1#t+B sin(#2#t+#)]#[cos(#t+#)] G(t)=A/2[sin(#1t+#1/2t+#2/2t+#)+sin(#1t-#1/2t-#2/2t=#)]
+B/@[sin((#@t+#1/t+#2/+#+#)+sin(#@t+#1/t-#2/t+#-2 2 2 2 2 2
Ist #=#/2, so gilt:
Es liegen daher drei Frequenzen in dem Ausgangssignal G(t) vor: #1+#2 1. #1+# mit
der Amplitude A/2.
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2. #2+# mit der Amplitude B/2.
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#1+#2 A-B 3 # mit der Amplitude # 2 Amplitude 2 Ist A = B, dann verschwindet
die Komponente mit der halben Differenzfrequenz; dadurch wird angezeigt, daß eine
Gleichheit der Amplituden A und B vorliegt.
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Daraus kann man sehen, vorausgesetzt, daß die Phase des Bezugssignals
so gewählt ist, daß #=#/2, daß bei der Anordnung nach F i g. 1 im Ausgangssignal
des Gegentaktmodulators 16 keine Komponente mit der halben Differenzfrequenz von
30 Hz vorliegt, wenn die beiden Modulationssignale die gleiche Amplitude haben.
Der Bezugssignalgenera-
tor 12 hat eine von Hand betätigbare Phasensteuerungsvorrichtung,
die durch die Bezugszahl 17 angedeutet ist, außerdem enthält er eine automatische
Phasensteuerungsvorrichtung, die in der Zeichnung durch die Bezugszahl 18 angedeutet
ist. Diese Steuervorrichtungen ermöglichen es, daß die Phase der Ausgangssignale
des Bezugssignalgenerators zu der Phase der Modulationssignale in eine gewünschte
Beziehung gebracht werden kann. Die Art und Weise der Phaseneinstellung und die
notwendigen Bedingungen werden weiter unten beschrieben. Zunächst werde angenommen,
daß dann, wenn die Phase sachgemäß eingestellt ist, das Bezugssignal an der Leitung
14 die gewünschte Phasenbeziehung # = #/2 gegenüber den Modulationssignalen habe.
Das Ausgangssignal aus dem Gegentaktmodulator 16 mit der halben Differenzfrequenz
wird in einem 30-Hz-Filter 20 ausgesiebt und seine Amplitude auf dem Meßinstrument
21 angezeigt. Hierzu wird das Ausgangssignal aus dem Filter 20 in einem phasenempfindlichen
Detektor 22 gleichgerichtet, um einen Gleichstrom für das Meßinstrument 21 zu erhalten.
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Am Eingang des phasenempfindlichen Detektors kann nun einmal ein 30-Hz-Signal
liegen, das durch ungleiche Amplituden der zu vergleichenden Modulationssignale
entstanden ist; es kann aber auch ein 30-Hz-Signal am Eingang liegen, das durch
eine ungenaue Phaseneinstellung des Bezugssignalgenerators entstanden ist. Der phasenempfindliche
Detektor vermag die beiden 30-Hz-Signale zu unterscheiden; das letztere wäre in
seiner Phase um 90" zu dem 30-Hz-Signal verschoben, das durch ungleiche Amplituden
der Modulationssignale entstanden ist. Das liegt daran, daß der phasenempfindliche
Gleichrichter 22 dann kein Gleichstromausgangssignal erzeugt, wenn das ihm zugeführte
Eingangssignal und ihm ebenfalls zugeführte Bezugssignal um 90" phasenverschoben
sind. Da man mit dem phasenempfindlichen Gleichrichter nur das 30-Hz-Signal identifizieren
will, das durch Amplitudenunterschiede der Modulationssignale entstanden ist, führt
man ihm ein Bezugssignal zu, das mit dem zuletzt erwähnten 30-Hz-Signal phasengleich,
aber zu dem 30-Hz-Signal, das nicht angezeigt werden soll, um 90" phasenverschoben
ist. Dieses Bezugssignal für den phasenempfindlichen Detektor 22 wird aus dem Bezugssignalgenerator
12 mit Hilfe eines Frequenzteilers 23 gewonnen, der die Frequenz des Ausgangssignals
des Bezugssignalgenerators 12 durch 4 teilt. In der Anordnung der F i g. 1 sind
Vorrichtungen für die Prüfung der Phase des 1 20-Hz-Bezugssignals vorgesehen. Diese
Uberprüfvorrichtungen enthalten einen weiteren phasenempfindlichen Detektor 30,
der das 30-Hz-Ausgangssignal des Filters 20 auswertet. Dazu wird ihm ein Bezugssignal
aus dem Teiler 23 zugeführt, dessen Phase um 90" gegenüber der Phase des dem phasenempfindlichen
Detektor 22 zugeführten Bezugssignals verschoben ist. Die Amplitude des Ausgangssignals
des Detektors 30 wird auf einem Meßgerät 31 angezeigt.
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Nimmt man an, daß A die Amplitude des 90-Hz-Signals ist und B die
Amplitude des 150-Hz-Signals, der Phasenfehler des 120-Hz-Bezugssignals und ß der
Phasenfehler des 30-Hz-Bezugssignals, dann kann der Anzeigewert auf dem Phasenmeßinstrument
21 durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: A B 2 cos (aP) - P) - 2 sin (f1
+ p) Der Anzeigewert des Meßgerätes 31 kann durch folgende Gleichung ausgedrückt
werden: sin(>+i + 2 sin (ap).
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Ist das 30-Hz-Bezugssignal in Phase, d. h. ii = 0, dann ist der auf
dem Phasenanzeigeinstrument 31 angezeigte Wert: A+B 2 sin Der Anzeigewert des Meßinstruments
21 für die Amplitudenvergleichsmessung ist dann: A -B cos 2 (1.
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Jeder Phasenfehler a des 120-Hz-Signals wird also auf dem Meßinstrument
31 angezeigt. Kleine Fehler
beeinflussen jedoch den Anzeigewert des Meßinstruments
21 nur wenig, da für kleine Winkel cos a nahezu 1 ist. Es soll jedoch nochmals darauf
hingewiesen werden, daß unabhängig davon, ob a Null ist oder nicht, das Amplitudenmeßinstrument
immer wenn A = B ist, eine Nullanzeige liefert. Auf diese Weise wird die Uberprüfung
der Amplitudengleichheit der Modulationssignale nicht durch einen Phasenfehler des
120-Hz-Bezugssignals beeinflußt. Der Grund für die Uberprüfung der Phase dieses
Bezugssignals liegt darin, es gegen die Möglichkeit zu schützen, daß bei Vorliegen
eines Phasenfehlers des 120-Hz-Bezugssignals auch ein Fehler in dem 30-Hz-Bezugssignal
auftritt. Beispielsweise könnte der Fehler in dem 30-Hz-Bezugssignal einen solchen
Wert haben, daß er eine Nullanzeige auf dem Instrument 21 ergibt, selbst dann, wenn
die Amplituden der Modulationssignale nicht einander gleich sind. Liefern aber beide
Anzeigegeräte 21 und 31 eine Nullanzeige, dann ist die Gleichheit der Amplitude
der beiden Eingangssignale gegeben. Liefert das Meßinstrument 31 keine Nullanzeige,
dann muß die Phase des 120-Hz-Bezugssignals so nachgeregelt werden, bis dieses Meßinstrument
den Wert Null anzeigt. Die Wirkungsweise des in F i g. 1 dargestellten Gerätes ist
nun klar: Befindet sich der Schalter 15 in der Stellung, daß das um 90" phasenverschobene
Ausgangssignal des Bezugssignalgenerators 12 auf den Gegentaktmodulator 16 gegeben
wird, dann wird die Phase des 1 20-Hz-Ausgangssignals des Bezugssignalgenerators
so eingeregelt, falls dies notwendig ist, daß eine Nullanzeige auf dem Meßinstrument
31 erreicht wird. Dann wird die Gleichheit der Amplituden der beiden Modulationssignale
durch eine Nullanzeige des Meßinstruments 21 angezeigt. Geringe Phasenfehler des
1 20-Hz-Signals sind unwesentlich; das Gerät kann leicht mit einer solchen Phasen
stabilität ausgestattet werden, daß die Phasen überprüfung und eine Wiedereinregelung
nur in größeren Abständen notwendig sind. Für viele Fälle ist es ausreichend, die
Phase des Ausgangssignals des Bezugsgenerators 12 von Hand einzuregulieren. In F
i g. 1 ist jedoch auch ein automatisches Phasensteuerungssystem dargestellt, das
zur Einstellung der erforderlichen Phase des Ausgangswertes des Bezugsgenerators
12 dient. Das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors30, der dann Null
ist, wenn das 120-Hz-Bezugssignal die gewünschte Phase hat, wird als Steuersignal
dem Eingang 18 der automatischen Phasensteuervorrichtung 18 des Bezugssignalgenerators
12 zugeführt. Diese Steuerung bewirkt, daß die Phase des 120-Hz-Bezugssignals so
eingestellt wird, daß die Amplitude des Ausgangssignals des phasenempfindlichen
Detektors 30 auf einem minimalen Wert bleibt. Die automatische Phasensteuerungsvorrichtung
spricht somit auf alle Phasenabweichungen des 120-Hz-Bezugssignals von dem gewünschten
Zustand an und dient dazu, den Bezugssignalgenerator 12 so zu steuern, daß der notwendige
Phasenzustand erhalten bleibt.
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Um sicherzustellen, daß sich das 30-Hz-Signal in der richtigen Phasenlage
befindet, ist ein von Hand einstellbarer Phasenschieber 32 zur Einregelung der Phase
des 30-Hz-Bezugssignals vorgesehen. Beim Einregeln wird der Schalter 15 so eingestellt,
daß das in Phase befindliche 120-Hz-Bezugssignal an den Gegentaktmodulator 16 gelangt,
dann wird die Phase so lange eingeregelt, bis an dem Anzeigegerät 21 Null angezeigt
wird. Bei dem Instrumentenlandesystem
(ILS) ist es üblich, eine
besondere Phasenbeziehung zwischen den beiden Modulationssignalen beizubehalten,
derart, daß ihre beiden Momentanamplituden durch Null und gleichzeitig in der positiven
Richtung verlaufen. Das 30-Hz-Signal wird aus dem 120-Hz-Bezugssignal abgeleitet.
Seine Phase ist dann korrekt, wenn sie durch Null verläuft und die beiden Eingangssignale
ebenfalls zur gleichen Zeit durch Null verlaufen. Sind die beiden Eingangssignale
nicht gleichzeitig Null, so kann gezeigt werden, daß die Einstellung des Phasenschiebers
32 von der Größe der Abweichung von diesem bevorzugten Phasenzustand der beiden
Eingangssignale abhängt.
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Der Phasenschieber kann auf diese Weise für die Messung eines solchen
Fehlers geeicht werden.
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Durch den Schalter 15 ist es möglich, die oben beschriebene Vorrichtung
auch für eine Messung des Modulationsgrades zu verwenden. Dies ist insbesondere
bei einem Bodenprüfempfänger für das Instrumentenlandesystem (ILS) wünschenswert,
wo es notwendig ist, nicht nur die Gleichheit der Modulationssignale in der Landekursebene
zu überprüfen, sondern außerdem festzustellen, ob der Modulationsgrad eingehalten
ist. Bisher mußten hierfür Filter verwendet werden, um die beiden Modulationssignale
Dann gilt
zu trennen und um dann den Modulationsgrad der beiden den Träger aufmodulierten
Modulationssignale getrennt messen zu können.
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Um den Modulationsgrad mit dem in F i g. 1 dargestellten Gerät zu
bestimmen, wird der Schalter 15 so eingestellt, daß das in Phase liegende Ausgangssignal
des Bezugsgenerators 12 auf den Gegentaktmodulator 16 gegeben wird. Ist dies geschehen,
dann ist die Amplitude des Ausgangssignals des Detektors 30 proportional A+2B und
damit auch proportional dem Modulationsgrad. Nimmt man die Amplitude des Trägers
wie zuvor wieder mit 1 an, so ist der Modulationsgrad A1 oder B oder falls 1 1 -
wie es sein soll - A = B ist, so ist der Modulationsgrad auch A 2 B Mathematisch
läßt sich die Modulationsgradmessung der Vorrichtung folgendermaßen darstellen:
Verwendet man die gleichen Bezeichnungen wie oben, so ist das Bezugssignal für den
Gegentaktmodulator nunmehr F3(fl = sin (1 2+ 2 t t+ft2).
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Die Amplitude der halben Differenzfrequenz 0>1 2 (92 ist sodann/+
B, d. h. direkt proportional 2 dem Modulationsgrad.
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Um den Modulationsgrad zu bestimmen, ist es üblich, wie in F i g.
2 dargestellt ist, die Amplitude des Ausgangssignals des phasenempfindlichen Detektors
30 mit der Amplitude des Ausgangssignals eines geeichten Dämpfungsgliedes 35 zu
vergleichen.
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Dem Dämpfungsglied 35 wird von dem Empfänger 11 ein Gleichstromsignal
zugeführt, das proportional der Trägersignalamplitude ist. Der Vergleich geschieht
mit Hilfe eines Nullinstruments 36, als das üblicherweise das Meßinstrument 21 oder
das Meßinstrument31 verwendet werden kann. In F i g. 2 können die 120- und 30-Hz-Bezugssignale
ebenso wie in F i g. 1 erzeugt werden, und es wird deutlich, daß, abgesehen von
dem geeichten Dämpfungsglied 35 und einem Gleichrichter in dem Empfänger 11, der
ein Gleichstromsignal proportional der Trägeramplitude liefert, alle Komponenten
der F i g. 2 auch in dem Gerät nach F i g. 1 vorliegen. Bei einer praktischen Ausführung
ist es günstig, Schalter anzu-
bringen, die das Gerät nach F i g. 1 für eine Modulationsgradmessung
in der Art der F i g. 2 umschalten.
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Nur zur Einfachheit der Darstellung wurden die beiden Schaltkreise
getrennt in den F i g. 1 und 2 dargestellt.
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Bei der obigen mathematischen Ableitung wurde angenommen, daß die
beiden Eingangssignale, die bei dem Instrumentenlandesystem (ILS) 90- und 150-Hz-Modulationssignale
sind, reine Sinus-Schwingungen darstellen. Sind sie jedoch keine reinen Sinus-Schwingungen,
so können sie nach F o u r i e r in eine Grundkomponente und entsprechende Harmonische
zerlegt werden. Es kann leicht gezeigt werden, daß theoretisch solche harmonischen
Komponenten kein beliebiges Ausgangssignal mit der halben Differenzfrequenz (also
30 Hz) des Eingangssignals liefern können. In der Praxis läßt sich leicht nachweisen,
daß sogar große Anteile der harmonischen Schwingungen vernachlässigbare Effekte
liefern.
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F i g. 3 zeigt, wie der Empfänger der F i g. 1 als Prüfempfänger
für die Uberwachung der Signale eines Instrumentenlandesystems (ILS) und auch für
die Steuerung des Modulationsamplitudenverhältnisses
in einem solchen
System verwendet werden können.
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In F i g. 3 ist ein Instrumentenlandesystem (ILS) dargestellt, das
einen Trägerfrequenzgenerator 40 enthält, der bei 110 MHz arbeitet und Ausgangssignale
liefert, die durch zwei Modulatoren 41 und 42 mit Modulationssignalen von 90 und
150 Hz aus den Modulationssignalgeneratoren 43 und 44 moduliert werden. Die modulierten
Trägerwellen werden an die Sender 45 und 46 gegeben und über die Antennen 47, 48
ausgestrahlt. Das Instrumentenlandesystem (ILS) wird dazu verwendet, um längs einer
Landebahn, die durch die Gleichheit der beiden empfangenen Modulationssignale bestimmt
ist, eine Führung zu erhalten. Für die Uberwachung und Uberprüfung ist es üblich,
den Prüfempfänger auf der Landebahn anzuordnen, um festzustellen, daß die beiden
Modulationssignale gleich sind. Der Prüfempfänger ist in der F i g. 3 durch eine
Empfangsantenne 50 und eine Baueinheit 51 dargestellt, die aus den Komponenten 11
bis 18, 20, 22, 23, 24 und 30 bis 32 der F i g. 1 besteht. Das Anzeigemeßgerät 21
ist getrennt dargestellt. Der Prüfempfänger wird, wie vorher beschrieben, bedient.
Für die Uberwachung ist es allein notwendig, festzustellen, ob das Meßgerät 21 auf
Null steht, wenn der Schalter 15 so eingestellt ist, daß das um 90" phasenverschobene
Ausgangssignal des Bezugsgenerators 12 an den Gegentaktmodulator 16 gelangt. Die
Bedienung des Schalters 15 in F i g. 1 ermöglicht es, daß der Modulationsgrad gemessen
werden kann. Der Prüfempfänger kann auch Teil einer automatischen Steuerung sein,
mit der die Gleichheit der Modulationssignale am Ort des Prüfempfängers aufrechterhalten
wird. Das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 22 kann in diesem Fall
dazu verwendet werden, ein nicht gezeigtes Servosystem zu steuern, das einen regelbaren
Verstärker 53 betreibt, der das Amplitudenverhältnis der beiden Modulationssignale
des Senders steuert.
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In F i g. 3 liegt der Verstärker 53 zwischen dem 1 50-Hz-Generator
44 und dem Modulator 42. Die Servovorrichtung regelt den Verstärker 53 so, daß die
Ausgangssignalamplitude des Empfängers 51 auf einem minimalen Wert bleibt. Durch
diese einfache Anordnung ist somit eine automatische Steuerung des Senders gegeben,
bei der die Gleichheit der Amplituden der Modulationssignale am Ort des Prüfempfängers
aufrechterhalten bleibt.
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Die F i g. 4, 5 und 6 bringen drei verschiedene Ausführungsformen,
die als Teile des Bezugssignalgenerators 12 verwendet werden können. Dieser Bezugssignalgenerator
erzeugt ein Signal mit einer Frequenz, die gleich dem arithmetischen Mittelwert
der beiden Modulationsfrequenzen ist. F i g. 4 zeigt ein einfaches Verfahren zur
Erzeugung eines Signals der mittleren Frequenz, das insbesondere bei einem Instrumentenlandesystem
(ILS) vorteilhaft ist. Die 90- und 150-Hz-Signale des Empfängers 11 werden einem
Verzerrer 60 mit einer nichtlinearen quadratischen Kennlinie zugeführt, und dieser
liefert Ausgangssignale mit den Frequenzen 60, 180, 240 und 300 Hz. Von diesen Ausgangssignalen
wird das 240-Hz-Signal mit Hilfe eines Bandpaßfilters 61 ausgesiebt und einem Frequenzteiler
62 zugeführt, in dem die Frequenz des 240-Hz-Signals durch 2 geteilt wird, um das
gewünschte 1 20-Hz-Signal zu erhalten. Dieses ist dann das eine Ausgangssignal des
Bezugssignalgenerators 12. Um das zweite Ausgangssignal zu erhalten, ist ein Phasenschieber
vorgesehen, der die Phase des ersten Aus-
gangssignals um 90" verschiebt. Ublicherweise
werden binäre Teiler verwendet, die Rechteckwellen liefern, aus denen Signale mit
Phasen, die um 90" verschoben sind, leicht erhalten werden können. Es soll insbesondere
darauf hingewiesen werden, daß das 240-Hz-Filter 61 nur eine bestimmte Frequenz
auszufiltern hat. Die Amplitude des Bezugssignals ist unwichtig und beeinflußt nicht
die Bestimmung der Gleichheit der Amplituden der beiden Modulationssignale und beeinflußt
auch nicht die Uberprüfung der Phase oder die Bestimmung des Modulationsgrades,
wie weiter unten näher beschrieben wird. Es ist daher unwesentlich, ob das Filter
61 eine Dämpfung ausübt. Die Verwendung eines solchen Signalfilters bringt daher
nicht die Nachteile, die bei einer Verwendung von Filtern in den früheren Typen
der ILS-Empfänger üblich waren, bei denen zwei getrennte Filter für die Trennung
der Modulationssignale, die dann in ihrer Amplitude verglichen wurden, vorgesehen
waren. Phasen verschiebungen auf Grund des Filters 61 sind unwesentlich, da eine
Phasensteuerung für die Ausgangssignale des Bezugssignalgenerators 12 vorgesehen
ist.
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In F i g. 5 ist eine weitere Anordnung zur Erzeugung eines 1 20-Hz-Bezugssignals
aus den 90- und 150-Hz-Eingangssignalen dargestellt. Nach der F i g. 5 werden die
beiden Eingangssignale mit Hilfe von Bandfiltern 70, 71, die auf 90 oder 150 Hz
abgestimmt sind, getrennt. Diese beiden getrennten Signale werden dann einem Gegentaktmodulator
72 zugeführt, dessen Ausgangssignalamplitude in jedem Zeitpunkt gleich dem Produkt
der Eingangssignalamplitude ist. Das Ausgangssignal des Gegentaktmodulators enthält
die Signale mit 240 und 60 Hz, d. h. mit den Summen- und Differenzfrequenzen.
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In einem Bandfilter wird das 240-Hz-Signal ausgesiebt und einem Frequenzteiler
74 zugeführt, der die Frequenz des 240-Hz-Signals durch 2 teilt und das gewünschte
120-Hz-Signal liefert. Wie bereits im Zusammenhang mit F i g. 4 beschrieben wurde,
wird dieses 120-Hz-Signal dazu verwendet, die erforderlichen Signale von dem Bezugssignalgenerator
12 zu erhalten. Es wird erneut betont, daß es bei der Anordnung nach F i g. 5 unwesentlich
ist, ob die Filter 70, 71 und 73 eine Dämpfung bringen, da kein Amplitudenvergleich
der gefilterten Signale vorgenommen wird.
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Bei den Anordnungen nach den F i g. 4 und 5 kann die Phase des Ausgangssignals
mit der Temperatur oder bei einer Frequenzverschiebung der Eingangsmodulationsfrequenzen
schwanken, da die Aussiebung der Signale mit Hilfe von Bandpaßfiltern erfolgt, die
für die erforderliche hohe Selektivität einen hohen Q-Wert haben müssen. Dies kann
unwesentlich sein, insbesondere dann, wenn eine automatische Phasensteuerung vorgesehen
ist. Jedoch kann diese Schwierigkeit auch dadurch vermieden werden, daß eine Anordnung,
wie sie in F i g. 6 dargestellt ist, verwendet wird. In F i g. 6 werden die 90-
und 150-Hz-Eingangssignale mit Hilfe von Bandfiltern 80, 81 getrennt, die auf diese
Frequenzen abgestimmt sind. Das Ausgangssignal eines dieser Filter, in F i g. 6
des 150-Hz-Filters 81, wird dem Gegentaktmodulator 82 zugeführt, der es mit dem
Ausgangssignal des frequenzgesteuerten 240-Hz-Oszillators 83 mischt. Die Art der
Frequenzsteuerung dieses Oszillators wird weiter unten beschrieben.
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Das Ausgangssignal des Gegentaktmodulators 82 enthält
Signale
mit der Summen- und Differenzfrequenz, d. h. mit 90 und 390 Hz. Ist der Gegentaktmodulator
kein idealer Modulator, dann können auch Signale höherer Frequenzen auftreten, es
kommen aber keine Signale mit Frequenzen, die tiefer als 390 Hz sind, vor. Das Ausgangssignal
des Gegentaktmodulators 82 wird einem zweiten Gegentaktmodulator 84 zugeführt, in
dem es mit dem Ausgangssignal des 90-Hz-Filters80 gemischt wird. Das daraus resultierende
Ausgangssignal enthält eine Gleichstromkomponente und Komponenten mit verschiedenen
Frequenzen.
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Liefert der Oszillator 83 ein Ausgangssignal, dessen Frequenz genau
der Summe der Eingangssignalfrequenzen entspricht, d. h. 240Hz, dann ist die Gleichstromkomponente
gleich Null, vorausgesetzt, daß die Phase stimmt. Die Gleichstromkomponente des
Ausgangssignals wird dazu verwendet, um die Frequenz des Oszillators 83 in einem
solchen Sinne zu beeinflussen, daß sie selbst Null wird. Daher dient ein Steuerkreis
85 dazu, das Oszillatorausgangssignal auf einer Frequenz zu halten, die gleich der
Summe der beiden Eingangssignalfrequenzen ist. Das 240-Hz-Ausgangssignal des Oszillators
wird einem Frequenzteiler86 zugeführt, der die Frequenz durch 2 teilt und das gewünschte
120-Hz-Bezugssignal liefert. Die automatische Phasensteuerungsvorrichtung 18 der
F i g. 1 arbeitet mit einer Gleichspannung, die der Gleichspannungskomponente des
Gegentaktmodulators, der den Oszillator steuert, überlagert sein kann.
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Die Anordnung nach F i g. 6 stellt einen Bezugssignalgenerator dar,
bei dem sowohl die Frequenz als auch die Phasen automatisch gesteuert werden, um
die gewünschten Bedingungen aufrechtzuerhalten.
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Der in F i g. 6 dargestellte Oszillator arbeitet bei 240 Hz. Es kann
aber beispielsweise auch ein Signal, dessen Frequenz ein Vielfaches der aus den
Frequenzen der beiden Eingangsmodulationssignale gebildeten mittleren Frequenz ist,
erzeugt werden.
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Verwendet man die Erfindung für einen Prüfempfänger einer ILS-Station,
so ist es üblich, in manchen Fällen das 1 20-Hz-Bezugssignal direkt aus dem ILS-Sender
zu erhalten, anstatt gesonderte Vorrichtungen in dem Prüfempfänger vorzusehen, um
das Bezugssignal aus den empfangenen 90- und 150-Hz-Modulationssignalen abzuleiten.
Eine solche Anordnung ist in F i g. 7 dargestellt. In dem ILS-Sender wird das Ausgangssignal
eines 1800-Hz-Oszillators 90 drei Frequenzteilern 91, 92 und 93, die die Frequenz
durch 20, 15 und 12 teilen, zugeführt. Man erhält Ausgangssignale mit 90, 120 und
150 Hz. Die 90-und 120-Hz-Signale werden in einer Addiereinheit 94 addiert und dann
einem Modulator 95 zur Amplitudenmodulation eines Trägersignals mit 110 Hz zugeführt.
Dieses Trägersignal kommt aus einem Generator96. Das modulierte Ausgangssignal wird
von der Antenne 97 ausgestrahlt. Die 120- und 1 50Hz-Signale werden dann in der
Addiereinheit 98 summiert und dann einem Modulator 99 zugeführt.
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Dem Modulator 99 wird außerdem noch eine Trägerfrequenz aus dem Trägerfrequenzgenerator
96 zugeführt. Man erhält dadurch ein zweites moduliertes Trägersignal, das von der
Antenne 100 ausgestrahlt wird. Vorzugsweise ist die Phase des 120-Hz-Signals in
den beiden Addiereinheiten94 und 98 um 90 gegen die »mittlere« Phase der 90- und
150-Hz-Signale verschoben. Die »mittlere« Phase ist wenn ein Signal A sin (() t
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und das andere B sin (co2t t + ft2-) ist. In üblicher Praxis werden die Phasen
der 90- und 150-Hz-Signale so eingestellt, daß beide in der positiven Richtung gleichzeitig
durch Null verlaufen. In diesem Fall ist die bevorzugte Phase des 120-Hz-Signals
so, daß dieses 120-Hz-Signal seinen maximalen Wert hat, wenn die 90- und 150-Hz-Signale
gleichzeitig durch Null gehen. Mit der Anordnung nach F i g. 7 kann der Prüfempfänger,
der durch die Empfängereinheit 101 und die Empfangsantenne 102 angedeutet ist, direkt
die 90-, 120- und 150-Hz-Signale empfangen. Es ist nicht erforderlich, den Bezugssignalgenerator
12 nach F i g. 1 zu verwenden, da die 120 Hz unmittelbar von dem Empfänger 11 erhalten
werden.
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Gemäß einer anderen Ausführung, wie sie durch die gestrichelte Linie
103 in der F i g. 7 angezeigt ist, kann das 120-Hz-Signal über eine Leitung unmittelbar
an den Prüfempfänger übertragen werden. Auf diese Weise wird die Anwendung von zusätzlichen
ausgestrahlten Signalen vermieden. Es ist üblich, dies dort zu machen, wo der Vergleich
der Amplituden von zwei Modulationssignalen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nur in einem Prüfempfänger erfolgt. Andererseits ist es üblich, wenn die erfindungsgemäße
Vorrichtung als Bordempfänger verwendet wird, daß man die 120-Hz-Signale ausstrahlt,
um den Aufwand innerhalb des Flugzeugs auf ein Minimum zu beschränken.
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Obwohl im voranstehenden insbesondere der Aufbau eines Prüfempfängers
für eine ILS-Station beschrieben wurde, ist es doch offensichtlich, daß die Empfängereinrichtung
ebensogut für eine Landebahneinweisung und Kursführung verwendet werden kann. Für
einen Bordempfänger kann die Ausstattung nach F i g. 1 dahingehend vereinfacht werden,
daß die Enrichtungen für die Uberprüfung des Modulationsgrades der Signale oder
der Phase der Signale wegfallen. Ein Landebahn - Gleitweg - Anzeigegerät kann dazu
verwendet werden, um festzustellen, ob die 120-Hz-Phase korrekt ist. Es liegt jedoch
keine unbedingte Notwendigkeit vor, diese Phase zu messen.
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Ist das Meßinstrument 21 nach Fig. 1 ein Nullinstrument, dessen Nullwert
in der Mitte der Skala liegt, dann zeigt es die Abweichung nach links oder rechts
von der Landebahn oder Abweichungen nach oben oder nach unten von dem Gleitweg in
ähnlicher Weise wie die üblichen Anzeigesysteme, die bei den ILS-Bordeinrichtungen
verwendet werden, an. Wie bereits eingehend erörtert wurde, kann, da die erfindungsgemäße
Anordnung nicht auf der Erhaltung der Gleichheit der Amplituden der Signale durch
frequenzselektive Filterschaltungen beruht, die Gleichheit der Amplitude der Eingangsmodulationssignale
bis zu einem extrem hohen Genauigkeitsgrad, beibeispielsweise in der Größenordnung
von 1:5000 oder 1:10000, bestimmt werden, was sehr viel besser ist, als bei den
bisher hierfür verwendeten ILS-Empfängervorrichtungen.