DE1591054A1

DE1591054A1 - Nachrichtensystem fuer kuenstliche Satelliten mit Mehrfahrzugang

Info

Publication number: DE1591054A1
Application number: DE1967C0043022
Authority: DE
Inventors: Gerard Battail; Pierre Brossard
Original assignee: Comsat Corp
Current assignee: Comsat Corp
Priority date: 1966-08-05
Filing date: 1967-08-02
Publication date: 1970-08-20
Also published as: SE343182B; NL6710680A; GB1166165A; DE1591054B2; NL165624C; BE702227A; US3470477A; NL165624B

Description

Communications Satellite Corporation, Washington DC, USA

Nachrichtensystem für künstliche Satelliten mit Mehrfachzugang

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Nachrichtenempfänger für den Empfang von nachrichtenmodulierten FM-Signalen und Zuordnungsignalen, welche nur die einer einzigen Zuordnungsfrequenz entsprechenden Nachrichten empfangen, insbesondere bestehend aus einem verbesserten FM-Demodulator und einem zwischen der Empfangsklemme des Empfängers und dem Eingang des verbesserten Demodulators liegenden !''requenzmischer.

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Empfänger für den Empfang von durch Nachrichtensatelliten ausgesendeten Signalen und die Arbeitsbedingungen, unter welchen solche Empfänger arbeiten, sind bereits bekannt (vergl. franz. Patentschrift 1 4-38 315). Diese Arbeitsbedingungen bestehen darin, daß die jeweiligen bender mit einzelnen Zuordnungsfrequenzen identifiziert werden. Letztere werden sendeseitig mit den Nachrichtensignalen gemischt, bevor die Modulation mit einer Mi-Trägerfrequenz vorgenommen wird. Alle Sender verwenden dieselbe Trägerfrequenz. Die Empfänger müssen deshalb so gebaut sein, daß sie diejenigen Informationssignale demodulieren, die mit dem für den Empfänger bestimmten Zuordnungssignal gemischt sind, wobei alle anderen Informationssignale ausgeschieden werden β

Innerhalb des Empfängers wird die Trennung der Nachrichtensignale dadurch erreicht, daß alle sendeseitigen Trägerfrequenzen empfangsseitig mit einem Signal gemischt werden. Dieses Signal ist mit einem empfangsseitig erzeugten Zuordnungssignal frequenzmoduliert und hinsichtlich seiner Phase und Amplitude dem sendeseitigen Zuordnungssignal sehr ähnlich. Aufgrund dieses Mischvorganges erscheint das ausgewählte Nachrichtensignal am Ausgang der Mischstufe als ein reines Zwischenfrequenz-FM-Nachrichtensignal. Alle anderen Nachrichtensignale erscheinen als Zwischenfrequenz-FM-Signale als Kombinationssignale aus Nachrichtensignalen und sende- und empfangs-

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seitigen Zuordnungssignalen. Aufgrund der Beziehung der Zuordnungsfrequenzen weist das zu empfangende Nachrichtensignal den niedrigsten Frequenzhub auf«,

Das Mischstufenausgangssignal wird daraufhin an einen Demodulator geführt, der in der Fachwelt unter dem Namen "Verbesserter Demodulator" (Improved demodulator) bekannt ist. Ein solcher verbesserter Demodulator (siehe Franz« Patentschrift 1 328 367)unterscheidet sich von einem gewöhnlichen Demodulator dadurch, daß er nur Eingangssignale mit einem Frequenzhub unterhalb eines vorgegebenen maximalen Wertes demoduliert„ Da mit Ausnahme des ausgewählten Signals alle anderen Nachrichtensignale einen höheren, oberhalb eines bestimmten Wertes liegenden Frequenzhub aufweisen, so tritt am Ausgang des verbesserten Demodulators nur das Nachrichtensignal von demjenigen Sender auf, der dieselbe Zuordnungsfrequenz wie die des betreffenden Empfängers aufweist«

Bei den bekannten Empfängern wird das empfangsseitige Zuordnungssignal, das mit dem empfangenen Nachrichtensignal gemischt werden soll, mit Hilfe einer Rückkopplungsschleife erzeugt, welche aus einem Ortsoszillator, einem Frequenzmodulator und einem Filter besteht. Das Filter, das ein sehr hohes Auflösungsvermögen aufweisen muß, ist auf die Zuordnungsfrequenz abgestimmt und liep;t am Ausgang des verbesserten Demodulators. Uur das Zuordrmngssignal selbst Qe-

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langt durch dieses Euter und wird nach Verstärkung dazu benutzt, eine örtlich erzeugte Trägerfrequenz mit einer Frequenzmodulation zu beaufschlagen. Diese Trägerfrequenz ist so gewählt, daß sie von der Trägerfrequenz des empfangenen Signals sich um einen Betrag unterscheidet, der der Ruheträgerfrequenz des verbesserten Demodulators entspricht ο Die Richtung der (momentanen) Frequenzumsetzung des lokal erzeugten FM-modulierten Trägerfrequenzsignals ist derart, daß beim Mischen die Frequenzhübe der Eingangssignale und des empfangsseitig erzeugten Oszillatorsignals voneinander abgezogen werden»

Bei dem bisher bekannten Empfänger ist die Konstruktion der Rückkopplungsschleife aufgrund der Stabilitätserfordernisse an die Rückkopplungselemente sehr schwierig. So sind z.B, mindestens 6 DB Dämpfung pro Oktave Frequenzänderung für das zu verwendende Filter notwendige Fernerhin muß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers innerhalb der Rückkopplungsschleife groß genug sein, damit der in Verbindung mit dem empfangsseitigen Zuordnungssignal auftretende Frequenzhub vernachlässigbar klein ist. Aus diesem Grunde ist ein Verstärkungsfaktor von ungefähr 50 bis 60 DB erforderlich. Schließlich sollte die Rückkopplung für das gewünschte Nachrichtensignal und die Zuordnungssignale mit Ausnahme des den Empfänger identifizierenden Zuordnungssignals prakttisch vernachlässigbar klein sein. Das Bandpaßfilter, wel-

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ches das empfangsseitige Zuordnungssignal auswählt, muß deshalb die anderen SigraLe sehr stark dämpfen. Die benötigte Selektivität und damit die Filtergüte des als Filter verwendeten Widerstandskreises müssen deshalb äußerst hoch sein. So muß beispielsweise die Filtergüte oberhalb 1000 liegen. In der Praxis läßt sich ein solcher V/ert mit konventionellen Mitteln nur sehr schwer erreichen β

Ein anderer Nachteil des bekannten Empfängers besteht darin, daß es notwendig ist,für jede Zuordnungsfrequenz einen verschiedenen Frequenzhub vorzusehen, damit verhindert werden kann, daß die Frequenzumsetzungen der ungewünschten Nachrichtensignale innerhalb annehmbarer Grenzen für den verbesserten Demodulator liegen. Bei dem bekannten Empfänger wird ferner das Zuordnungssignal, das zur Modulation des empfangsseitig erzeugten Trägers verwendet wird, von dem Ausgang am verbesserten Demodulator abgezweigt. Dieser ist jedoch nicht besonders gut geeignet, das Zuordnungssignal zu demodulieren. Dies hat zur Folge, daß das Zuordnungssignal gedämpft und verzerrt wird#

Da fernerhin bei dem bekannten Empfänger das Zuordnungs· signal durch ein Filter ausgewählt wird, darf das gesamte Nachrichtensystem keine Zuordnungsfrequenzen aufweisen,, die hinsichtlich ihrer Oberwellen zueinander irgendwie in

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Beziehung stehen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Empfänger zu schaffen, der diese obengenannten Nachteile nicht aufweist β

Erfindungsgemäß wird dies durch die Anwesenheit und Kombination der folgenden Merkmale erreicht:

a) Extrahierelemente, die ein vom Ausgang des Erequenzmischers hergeleitetes vorgegebenes Zuordnungssignal extrahieren»

b) einen phasengesteuerten Steueroszillator.

c) Steuerelemente, die in Abhängigkeit des Zuordnungssignaldemodulators und des phasengesteuerten Steueroszillators ein Phasenfehlersignal ableiten und die dasselbe dem Steuereingang des phasengesteuerten Steueroszillators zuführen,

d) Einen Pormerkreis, der mit dem Ausgang des phasengesteuerten SteuerOszillators verbunden ist und der eine Eingangsklemme für die Amplitudensteuerung aufweist,

β) Steuerelemente, die in Abhängigkeit des Formerkreises und des Zuordnungssignaldemodulatore ein Amplitudenfehlersignal ableiten und die dasselbe dem Formerkreis über die Eingangsklemme zuführen,

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f) Einen Ortsoszillator und

g) Einen FM-Modulator, der eingangsseitig mit den Ausgängen des OrtsOszillators und Formerkreises verbunden ist, und der ausgangsseitig mit der Frequenzmischstufe verbunden ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das erapfangsseitig erzeugte Zuordnungssignal mit Hilfe eines Zuordnungssignalgenerators lokal innerhalb des Empfängers erzeugt. Durch Phasenvergleich des innerhalb des Zuordnungssignalgenerators .empfangsseitig erzeugten Signals mit dem demodulierten sendeseitigen Zuordnungssignal wird ein Fehlersignal erzeugt, das die Synchronisation des empfangsseitig erzeugten Signals mit dem sendeseitigen Zuox^dnungssignal ermöglicht, welches mit dem Nachrichtensignal moduliert ist. Durch Amplitudenvergleich dieser Signale ist es möglich, die Amplitude des empfangsseitig erzeugten Zuordnungssignals anzupassen. Da der sendeseitige Frequenzhub und deshalb die notwendige Signalamplitude im voraus festliegt, erfolgt das Einregulieren der Amplitude des empfangsseitig erzeugten Zuordnungssignals über einen kleinen Teilbereich der Signalamplitude. Durch Phasen- wie auch Amplitudensteuerung des empfangsseitig erzeugten Zuordnungssignals ist es mit ziemlich guter Näherung möglich, momentane Frequenzschwankungen des sendeseitigen Zuordrmngssignals empfangsseitig am Eingang des verbesfjerten Demodulators zu kompensieren.

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Innerhalb des Empfängers wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Phasenfehlersignal dadurch abgeleitet, daß gleichzeitig zwei Signale demoduliert werden, wobei das erste ein von dem Rückkopplungsdemodulator des Frequenzhubgrückkopplungskreises kommendes Signal ist, und wobei das zweite ein von dem empfangsseitig erzeugten Zuordnungssignal abgeleitetes Signal ist, das durch Phasenverschiebung von einem Viertel der empfangsseitigen Signalperiode entsteht. Das durch diese Modulation entstehende resultierende Signal ist proportional zu dem Sinus von ψ , wobei Ψ der Phasenwinkel zwischen dem sendeseitigen, mit dem Nachrichtensignal modulierten Zuordnungssignal und dem empfangsseitig erzeugten Zuordnungssignal ist» Demzufolge hat das Fehlersignal innerhalb eines Bereiches von 180° die erforderliche Größe, um die gewünschte Rückkopplung zu erzeugen. Es sollte an dieser Stelle bemerkt werden, daß das Fehlersignal nicht von der Amplitude des Zuordnungssignals abhängt, die ohnehin nur innerhalb eines begrenzten Bereiches schwankt»

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Amplitudenfehlersignal ebenfalls durch gleichzeitige Demodulation von zwei Signalen erzeugt, wobei das erste das Signal von dem Frequenzdemodulator innerhalb der Frequenzhubrückkopplungsschleife hergeleitet ist, und das zweite Signal ein von dem

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Ortszuordnungssignalgenerator abgegebenes Signal ist. Sobald die Synchronisation der sende- und empfangsseitigen Zuordnungssignale erreicht ist, ist das Demodulationsprodukt proportional zu der algebraischen Differenz zwischen den beiden Signalamplituden. Aus diesem Grunde kann dieses Demodulationsprodukt dazu verwendet werden, die Amplitude des empfangsseitigen Zuordnungssignals zu regulieren»

Die Phasen- und Amplitudenfehlersignale weisen eine Gleichstromkomponente und Komponenten sehr niedriger Frequenz auf. Sie müssen deshalb durch schmale Tiefpassfilter mit gewünschter Selektivität herausgefiltert werden. Ein solches Filter kann sehr einfach durch einen RC-Kreis erzeugt werden, der bekanntermaßen die Stabilitätsanforderungen erfüllt. Für das ordnungsgemäße Funktionieren der Fehlersignalerzeugung ist einzig und allein die Identität der Wellenformen der von den Sendestetionen übermittelten Zuordnungssignale und der in den Empfangsstationen erzeugten Zuordnungssignale notwendig. Diese Bedingung beschränkt jedoch die vorliegende Erfindung nicht ausschließlich auf sinusförmige Zuordnungssignale. Die Vorteilhaftigkeit der Nichtverwendung von sinusförmigen Signalen soll an anderer Stelle noch beschrieben werdtn.

In dem folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erklärt und erörtert werden, wobei Be-

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- 10 zug auf die beigefügten Figuren genommen ist, in welchen:

Fig. -1 eine schematische Blockdarstellung des Nachrichtensystems mit einem zum Stande der Technik gehörenden Empfänger ist;

Fig. 2 eine schematische Blockdarstellung einer vorteilhaften Ausführungsform eines Empfängers gemäß der vorliegenden Erfindung ist, und

Fig. 3 eine schematische Blockdarstellung einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform eines Empfängers gemäß der vorliegenden Erfindung ist,

Fig. 1 zeigt eine der Nachrichtenverbindungen, welche en
ein/Nachrichtensatellit 2 im Rahmen eines zum Stande der Technik gehörenden Vielfachsystem herstellen kann. Eine solche Verbindung verbindet einen an einer Station A gelegenen Sender 1 mit einem an einer Station B gelegenen Empfänger 3«

Das zu übermittelnde Nachrichtensignal wird dem Eingang 11 des Senders 1 zugeführt und innerhalb eines konventionellen Mischers 12 mit dem innerhalb des Oszillators 12 erzeugten sinusförmigen Zuordnungssignal der Frequenz F

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additiv gemischt. Das resultierende Summensignal wird einem Modulator 14- zugeführt, in welchem dasselbe eine innerhalb eines Oszillators 15 erzeugte Trägerfrequenz frequenzmoduliert. Eine Antenne 16 sendet das somit erzeugte FM-Signal in Richtung des Nachrichtensatelliten 2, der dasselbe mit Hilfe einer Antenne 21 empfängt, mit Hilfe eines Verstärkers 22 verstärkt, die Trägerfrequenz des Signals verändert und schließlich mit Hilfe einer Antenne 23 in Richtung einer Empfangsstation 3 wieder aussendet «,

An der Empfangsstation 3 wird das FM-Signal von einer Antenne 31 empfangen, die mit dem Eingang eines Frequenzmischers 32 verbunden ist. Der Ausgang des Frequenzmischers 32 ist mit dem Eingang eines verbesserten Demodulators 33 verbunden. Der Ausgang dieses Demodulators wird auf der einen Seite an eine Ausgangsklemme 34- des Empfängers 3 und auf der anderen Seite mit dem Eingang eines Filters 35 verbunden. Das Filter 35 ist ein auf die Frequenz F. abgestimmtes Bandpassfilter, Da der Durchlaßbereich dieses Filters sehr schmal ist, können ohne merkliche Dämpfung

nur Signale mit Frequenzen sehr nahe an F durchgelassen werden. Die Bandbreite des Filters 35 muß im Hinblick auf Schwankungen der Frequenz F^, die durch die Drift und die Instabilitäten des Oszillators 13 bedingt sind, und im

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Hinblick auf den Doppler-Fizean-Effekt, der durch die Bewegung des Satelliten 2 verursacht wird, festgelegt werden*

Nach Durchgang durch einen Verstärker 36 frequenzmoduliert das über das Filter 35 gelangende Signal innerhalb des Modulators 38 eic von einem Grtsoszillator 37 erzeugte Welle. Das von dem Modulator 38 erzeugte Modulationsprodukt wird einem zweiten Eingang des Frequenzmischers 32 zugeführt. Die Frequenz des Ortsoszillators 37 ist von der Trägerfrequenz, die für die verschiedenen Signale am Eingang des Frequenzmischers 32 gemeinsam ist, verschieden. Die Ruheträgerfrequenz des von dem Frequenzmischer 32 kommenden Signals ist z.B₀ so gewählt, daß sie die Differenz zwischen der Trägerfrequenz der an dem ersten Eingang des Frequenzmischers 32 gelangenden Signale und der Frequenz des Ortsoszilläors 37 ist.

Die Ruheträgerfrequenz des verbesserten Demodulators ist gleich der oben beschriebenen Differenz, wobei die Parameter des verbesserten Demodulators so gewählt sind, daß unter den günstigsten Bedingungen der Demodulator das mit dem entsprechenden Zuordnungssignal der Frequenz F,, verbundene Nachrichtensignal demoduliert. Der frequenzhub des von dem Mischer 32 kommenden Signals ist gleich der Differenz zwischen dem Frequenzhub des am ersten Eingang dieseß Mischers

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liegenden Signals und dem Frequenzhub des von dem Modulator 38 kommenden Signals.

Demzufolge weist der Frequenzhub des an den Eingang des verbesserten Demodulators gelangenden Signals nur vernachlässigbare Komponenten der Frequenz F. auf, wobei das Nachrichtensignal unverändert bleibt. Dieses Signal wird deshalb von dem verbesserten Demodulator 33 normal demoduliert und erscheint an der Ausgangsklemme 34· des Empfängers 3.

In Fig. 2 sind jene Komponenten eines Empfängers gemäß der vorliegenden Erfindung mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, die Komponenten des Empfängers gemäß Fig. 1 entsprechen. Das von dem Satelliten 2 (vergleiche Fig. 1)· übermittelte Signal wird von einer Antenne 31 des Empfängers 3 empfangen. Dieses Signal wird daraufhin an den Eingang eines Frequenzmischers 32 gelegt.

Der Ausgang dieses Frequenzmischers ist mit dem Eingang eines verbesserten Demodulators 33 verbunden, dessen Ausgang wiederum mit der Ausgangsklemme 34 des Empfängers 3 verbunden ist. Der Ausgang des Mischers ist ferner mit dem Eingang eines ZuordnungS3ignaldemodulators 39 verbunden, der konventioneller Bauart ist und aus einem Begrenzer und einem Diskriminator besteht. Der Demodulator 39 arbeitet

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in einem breit genügen Frequenzband, damit das dem Empfänger 3 entsprechende Zuordnungssignal ohne übermäßige Verzerrung demoduliert werden kann. Die an diesen Demodulator gestellten Anforderungen sind dann erfüllt, wenn das Rückkopplungselement zufriedenstellend arbeitet, d.h. wenn der dem Zuordnungssignal entsprechende Modulationsindex genügend reduziert ist.

Der Ausgang des Zuordnungssignaldemodulators 39 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 30 verbunden. Der Ausgang dieses Verstärkers wiederum steht mit der Eingangsklemme 301 einer Vorrichtung 300 in Verbindung, die in dem folgenden als "Ortszuordnungssignalgenerator" bezeichnet sein soll. Die Eingangsklemme 301 des Generators 300 liegt parallel zu den beiden Eingangsklemmen 3021 und 3031 von zwei Synchrondemodulatoren 302 und 303» die konventionelle Ringmodulatoren sein können,

• Die Demodulatoren 302 und 303 weisen für den Empfang von niederfrequenten Signalen Eingangsklemmen 3021 und 3031 und für den Empfang von hochfrequenten Trägersignalen Eingangsklemraen 3022 und 3032 auf. Vom Ausgang der Synchrondemodulatoren 302 und 303 werden die modulierten Signale an den Eingang von Tiefpassfiltern 304 und 305 geleitet. Das Ausgangssignal vom Filter 304 wird an die Bteuerklemme 3O6I eines üteueroszillators 306 geführt. Das Ausgangssignal vom

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Filter 303 wird hingegen an die Ausgangsklemme 3071 des Formerkreises 307 geführt, der an seiner zweiten Eingangsklemme 3072 ein Eingangssignal von dem Steueroszillator 3O6 erhält« Der Steueroszillator 3Ο6 erzeugt ein sinusförmiges Signal, dessen Frequenz in Abhängigkeit der an die Steuerklemme 3O6I geführten Spannung variiert. Bei Abwesenheit einer Steuerspannung ist diese Frequenz sehr nahe der Frequenz des dem Empfänger 3 entsprechenden Zuordnungssignals»

Der Formerkreis 307 arbeitet dej?art, daß das frequenzvariable sinusförmige Signal des Steueroszillators 3Ο6 in ein Signal mit einer für die Zuordnungssignale ausgewählten Wellenform transformiert wird, wobei die Amplitude des abgegebenen Signals von der Steuerspannung an der Eingangs— klemme 3071 abhängig ist. Bei Abwesenheit einer Steuerspannung ist die Amplitude des aus dem Formerkreis 307 kommenden Signals sehr nahe der Amplitude des Signals, auf welche der Empfänger 3 eingestellt ist.

Der Ausgang des Formerkreises 307 ist an die Ausgangsklemme 309 des Ortszuordnungssignalgenerators 3OO geführt. Diese Ausgangsklemme ist wiederum mit der Eingangsklemme des Modulators 38 verbunden, so daß das Zuordnungssignal des Stromkreises 307 das von dem Ortsoszillator 37 erzeugte Signal frequenzmodulieren kann. Die Ausgangsklemme

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307 ist fernerhin mit der Eingangsklemme einer Verzögerungsleitung 308 verbunden, welche das Zuordnungssignal über eine Viertelperiode verzögert. Der Ausgang der Verzögerungsleitung 308 ist mit der Trägerfrequenzklemme 3022 des Synchrondemoaulators 302 verbunden. Der Ausgang des Formerkreises 30? ist hingegen mit der Eingangsklemme 3032 des Synchrondemoaulators 303 verbunden,,

Das von dem Ortsoszillator 37 erzeugte Signal wird nach seiner innerhalb des Modulators 38 erfolgten Frequenzmodulation an die zweite Eingangsklemme des Frequenzmisehers 32 geführt. Es sei angenommen, daß das Signal des Ortsoszillators 37 eine verschiedene Frequenz als die Trägerfrequenz ist, die gemeinsam für die verschiedenen, an den ersten Eingang des Frequenzmischers 32 gelegten Signale ist« Die aus dem Frequenzmischer 32 stammenden Signale weisen eine Ruheträgerfrequenz auf, die gleich der Differenz zwischen der Trägerfrequenz der Sendesignale am Eingang des Frequenzmischers 32 und der Frequenz des Ortsoszillators 37 ist. Die gemeinsame Ruheträgerfrequenz der an die Eingänge des verbesserten Demodulators 33 und des Zuordnungssignaldemodulators 39 gelegten Signale ist gleich dieser Differenz. Der Frequenzgang des von dem Frequenzmischer 32 kommenden Signals ist gleich der Differenz zwischen dem Frequenzhub·ides dem ersten Eingang des Frequenzmischers 32 zugeführten Signals und des aus dem Modulator 38 kommenden

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Signals. Da der Frequenzhub des Zuordnungssignals im voraus bekannt ist, kann die Signalamplitude am Ausgang des Pormerkreises 307 im voraus mit Genauigkeit festgelegt werden,, Ohne daß dies eine Begrenzung darstellen sollte, kann vorerst angenommen werden, daß die beiden Amplituden genau gleich sind und daß die Grundkomponenten dieser Signale einen Spitzenwert gleich 1 aufweisen,,

Das das Eingangssignal modulierende sendeseitige Zuordnungssignal weist eine Grundkomponente auf, die gleich dem Cosinus von 2 f_at ist, wobei f_& die Zuordnungsfrequenz ist. Das Signal des Pormerkreises 307 hat hingegen eine Grundkomponente gleich dem Cosinus von (2/Tf_at + y). Als Folge des Mischvorganges ist das Zwischenfrequenzausgangssignal des irequenzmischers 32 durch die Komponente

cos (2ffft) - cos (2j7f_nt + />) frequenzmoduliert, a ^α

Da das Signal des Formerkreises 307 durch die Verzögerungsleitung 308 eine Viertelperiode verzögert ist, hat das Signal an der Bingangsklemme 3022 des Synchrondemodulators 302 eine Grundkomponente von sin (2#f_at +/). Das Produkt der Synchrondernodulation des ausgangsseitig vom Verstärker 30 kommenden Signals und des über die Verzögerungsleitung 308 gelangenden Signals hat demnach die folgende Form; sin (2//f_at _{+ ?}) £ _CQQ (₂/7f_at) - cos (2/7f_flt +*) J

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was gleich ist 1/2 sin (4/rf_&t +t) + sin y- sin 2(2//f_&t +/) Die Komponenten sin (477f t +/) und sin (2Tf t + f), die in der Nähe der Frequenz 2f liegen, werden mit Hilfe des Tiefpassfilters 304- entfernt»

Da jedoch die Frequenz des Steueroszillators 306 in der Nähe der Zuordnungsfrequenz liegt und da demzufolge /langsam mit der Zeit sich verändert, verbleibt nach dem Durchgang durch das Filter J04 einzig und allein die Komponente (1/2 sinf). Das durch das Tiefpassfilter 304· gelangende Signal ist demnach ein Fehlersignal, welches dazu verwendet werden kann, die Phase des Steueroszillators 306 über die Eingangsklemme 3061 zu steuern. Die durch die Differenz zwischen den Phasen der sende- und empfangsseitigen Zuordnungssignale bedingte Komponente (1/2 sin *f ) wird mit Hilfe des Steueroszillators 306 und des Forme !'kreises 307 auf null gebrachte

Es muß hervorgehoben werden, daß die Funktionsweise des aus dem Steueroszillator 30b, einem Formerkreis 307> einem Synchrondemodulator 302 und einem Tiefpassfilter 304 bestehenden System dem eines Empfängers vergleichbar ist, der auf ein das Sendeaignal modulierendes Zuordnungssignal phasenblockierende Empfänger geschrieben, wobei insbesondere ein Artikel von R. Taffe und E. Rechtin unter dem Namen

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"Design and Performance of Phase-Lock Circuits Capable of Near Optimum Performance over a Wide Range of Input Signal and Noise Levels", veröffentlicht in den IRE-Transactions über Informationstheorie VoI₀ 1, Nr. 1, März 1966, Seiten 66 bis 76, hervorzuheben ist» Es soll fernerhin hervorgehoben werden, daß die Phasenregulierung nicht von den Amplituden der sende- und empfangsseitigen Zuordnungssignale abhängt.

Die Einregulierung der Signalamplitude durch den lOrmerkreis 307 soll nun erläutert werden, wobei angenommen wird, daß der Phasenwinkel ungefähr null, d„h. die Phase des Steueroszillators 306 richtig eingeregelt sei. Wenn a^ die Amplitude des das Nachrichtensignal modulierenden sendeseitigen Zuordnungssignals und a2 die Signalamplitude des Formerkreises 307 ist, dann ist das Modulationssignal am Ausgang des Frequenzmischers 32 gleich dem Ausdruck (a^ - a2) cos 2]ff_at. Das verstärkte Signal wird an die Eingangsklemme 3031 des Synchrondemodulators 303 gelegt. Da das an die Eingangsklemme 3032 desselben Synchrondemodulators 303 gelegteSignal in Phase mit dem an der Eingangsklemme 303I liegenden Signal ist, entsteht am Ausgang des Tiefpassfilters 305 ein Amplitudensignal das proportional zu dem Ausdruck (a₂ - a ) ist und welches als Fehlersignal für die Steuerung von a₂ verwendet werden

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kann. Dieses Signal wird deshalb dem üteuereingang 307I des Formerkreises 307 zugeführt.

Obwohl die Wellenform der Zuordnungssignale in den Veröffentlichungen gemäß dem bisherigen btande der Technik nicht festgelegt worden ist, so waren solche Empfänger jedoch unter der stillschweigenden Voraussetzung beschrieben, daß die Zuordnungssignale sinusförmig seien, da diese Wellenform sehr einfach zu erzeugen ist und da zu erwarten war, daß selektive Rückfeopplungseinrichtungen sehr einfach für unmodulierte d»h» sinusförmige Signale hergestellt werden könnten. Es lagen jedoch bisher keine theoretischen Überlegungen für die Wahl dieser Wellenform vor.

Aufgrund von Erfahrungen, die während Versuchen mit dem Nachrichtensystem gemäß der vorliegenden Erfindung gewonnen worden sind, hat sich jedoch gezeigt, daß Zuordnungssignale mit sinusförmigen Wellenformen nicht besonders günstig sind. In der Tat muß bei der Wahl der Wellenform berücksichtigt werden, daß verschiedene Frequenzhübe verschiedenen Zuordnungssignalen zugeordnet sein sollen, da~ mit ein momentaner Frequenzwechsel jenes Signals, welches durch ein moduliertes Signal mit einem anderen als dem auf den Empfänger eingestellten Zuordnungssignal erzeugt wird und welches an den Eingang des verbesserten Demodulators des erfindungsgemäßen Empfängers geführt wird, größer als ein vorgegebener Mnimalwert. Dieser Minimal-

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wert muß so gewählt sein, daß die Interferenz des Signals mit der Demodulation des gewünschten Signals begrenzt ist.

Sin gewisser Abstand zwischen den Frequenzhüben der nebeneinander liegenden sinusförmigen Zuordnungsfrequenzen ist notwendig. Aus diesem Grunde ist das Frequenzband, das von den verschiedenen innerhalb eines Systems übermittelten Signalen gefüllt ist, im Verhältnis zu dem Frequenzband von Nachrichtensystemen mit einer ähnlichen Übertragungskapazität bei welcher die Frequenzmodulation mit gestuften Trägerfrequenzen erfolgt und die Bänder der einzelnen Modulationssignale nebeneinander getrennt liegen, sehr breit. Ein Hauptgrund für die Verwendung von sinusförmigen Zuordnungssignalen - d.h. die offenkundige Einfachheit bei der Konstruktion eines solchen Empfängers - hat sich jedoch aufgrund von Erfahrungen als nicht allein maßgebend erwiesen, so wie bereits vorhin angedeutet worden ist. Bei Frequenzversetzungsrückkopplungsschleifen gemäß der vorliegenden Erfindung können nichtsinusförmige Zuordnungssignale verwendet werden, wobei es insbesondere vorteilhaft ist, Zuordnungssignale mit einer Wellenform in Form gleichschenkeliger Dreiecke zu verwenden, so wie in dem folgenden noch gezeigt werden soll.

Die Wellenform mit gleichschenkeligen Dreiecken besteht aus einem periodischen Wechselßignal mit einem

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Gleichstrommittelwert von null und einer Spitze während jeder Halbperiode, so daß der Absolutwert der Neigung d.h. die zeitliche Ableitung der Signalgröße - konstant ist und abwechslungsweise zwischen den einzelnen Spitzen positive und negative Werte aufweist,, So wie bereits angedeutet worden ist, bedingt die Natur der Zuordnungssignale mit Hinblick auf die Nachrichtensignale einen viel schnelleren Wechsel der Momentanfrequenz» Es ist deshalb angebracht, Zuordnungssignale mit Wellenformen zu verwenden, die eine konstante Neigung aufweisen, damit mit denselben eine konstante Änderung der Momentanfrequenz erreicht werden kann. Aus diesem Grund können alle Zuordnungssignale denselben Frequenzhub &£ aufweisen.

Wenn Oberwellen der Frequenz f als Zuordnungsfrequenz verwendet werden, ist der Wechsel der Momentanfrequenz der Zuordnungssignale, die an die Eingänge der verbesserten Demodulatoren der Empfänger gelegt sind, dauernd gleich 4f_a/if_a ^oder ^e^ⁿ Vielfaches dieses Wertes,

Es muß hervorgehoben werden, daß die vorliegende Erfindung die Verwendung einer bestimmten Frequenz und ihrer Oberwellen erlaubt, während dies bei bisher bekannten Vorrichtungen nicht möglich ist. Selbstverständlicherweise sollten diese Oberwellen oberhalb des verwendbaren Frequenzbandes für Nachrichtensignale gewählt sein. Ferner-

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hin sollten die Werte der Grundfrequenz f und der Frequenz-

3.

hub Af genügend groß gewählt sein, damit das Produkt a

4-f Δ f gleich dem erforderlichen Minimum ist. Es sei ana a

genommen, daß K die höchste der als Zuordnungssignale verwendeten Oberwellen mit der Grundfrequenz f ist₀ Um zu

et

verhindern, daß das gesamte verwendete Frequenzband breiter als 2Af ist (d.h. Kf mag in der Größenordnung von/if/10

el el et

liegen), sollte im Vergleich mit ^f die Überwelle Kf rela-

a a

tiv niedrig liegen«, f und <4 f können jedoch so gewählt

Sl a

sein, daß das von den Signalen des Nachrichtensystems besetzte Frequenzband in seiner Breite minimisiert wird*

Die Wahl der Ansprechfrequenzen ist durch folgende Überlegungen beeinflußt: Angenommen f* , fo, fz> ^n ^sei^en die Werte der verschiedenen Zuordnungsfrequenzen. So lange die verschiedenen Signale durch Sender des Nachrichtensystems mit genau den gleichen Trägerfrequenzen gesendet werden, erfolgt bei Abwesenheit einer Modulation durch Nachrichtensignale die Zwischenmodulation zwischen den verschiedenen Signalen nach der Demodulation ungewollter Signale mit den Frequenzen, die folgendermaßen ausgedrückt werden können:

f » n^ f^+ n₂f₂ + n^f, ^{+ n} _n ^£ _n ι wobei n^ , n₂ » n, beliebige positive oder negaitive ganze Zahlen oder null sind,

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Wenn die Frequenzen f^, f₂, f,, f_ß beliebige Frequenzen sind, deren Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Frequenzen größer als die obere Grenze des verwendbaren Frequenzbandes, ist es möglich, eine Kombination von Zahlen n., n_o» η zu finden, bei welchen die Zwischenmodulationsfrequenz f innerhalb des verwendbaren Frequenzbandes liegt. Man muß sich dabei vor Augen halten, daß solche Kombinationen äusserst zahlreich sind_e

Wenn hingegen die Ansprechfrequenzen aus einer harmonischen Serie der Form f. « K. f „ist. wobei K^, K_P, K₅-, K_ ganze positive Zahlen sind, dann ergeben sich produkteweise folgende Zwischenmodulationsfrequenzen, f « (n.K. + η₂ι K₂ + ηαΚ* + n_nK_n)f_a. Innerhalb des nützlichen Frequenzbandes ist es für keine dieser Zwischenmodulationsprodukte bei Abwesenheit von Modulation ausreichend, daß die Grundfrequenz f größer als die obere Grenze des verwendbaren Frequenzbandes ist. Bei vorhandener Modulation durch Nachrichtensignale bestehen die Zwischenmodulationsprodukte nicht mehr aus einzelnen Spektrallinien, sondern aus einem kontinuierlichen Frequenzspektrum. Dieses Spektrium weist jedoch zentrale Spektrallinien auf, die bei Abwesenheit von Modulation auftreten.

Innerhalb des verwendbaren Frequenzbandes kann die Zwischenmodulationsleistung auf einen vernachlässigbaren

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Wert vermindert werden, indem die Grundfrequenz f_& weit oberhalb der oberen Grenze des verwendbaren Bandes gewählt wird., In diesem Pail erscheint innerhalb des verwendbaren Frequenzbandes nur die Zwischenmodulationsleistung im Zusammenhang mit dem Nullfrequenzglied» Wenn die ausgewählten überwellen hoch genug liegen, d„h_e wenn der Ausdruck Ky, im Verhältnis zu der niedrigsten Oberwelle wenigstens zwei oder drei ist, ist 'die Zwischenmodulationsleistung des Nullfrequenzgliedes vernachlässigbar„ Bei den bisher bekannten Systemen ist die Verwendung von harmonischen Zuordnungsfrequenzen nicht möglich, da innerhalb eines solchen Systems ein Empfänger irrtümlicherweise eine Zuordnungsfrequenzoberwelle niedrigerer Ordnung als seine eigene Zuordnungsfrequenz ansehen könnte.

Es sollte einzig und allein noch gezeigt werden, daß bei Empfängern gemäß der vorliegenden Erfindung harmonische Zuordnungsfrequenzen ohne Störung der Empfängersynchronisierung gewählt werden können. So wie bereits ausgeführt worden ist, werden Fehlersignale für die genaue Phasen- und Amplitudenregelung der Zuordnungssignale von dem Ortegenerator erfindungsgeraäß wie folgt erhalten werden:

a) für das Amplitudenfehlersignal: durch Synchrondemodulation des von dem Frequenzdemodulator kommenden Signals

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mit dem Zuordnungssignal selbst₀

b) Für das Phasenfehlersignal: Durch Synchrondemodulation des· selben Signals mit demselben Zuordnungssignal, das jedoch eine Viertelperiode zeitlich versetzt ist.

Die Synchrondemodulation kann mit Hilfe eines abgeglichenen Modulators, wie z.B. einem konventionellen Ringmodulator erreicht werden. In diesem Fall/macht ein mit "Trägersignal¹¹ bezeichnetes Signal ,in dessen Abhängigkeit die Modulation ausgeführt wird, Dioden abwechslungsweise leitend oder nicht leitend; dies ist gleichsam, als ob das modulierte Signal mit einer periodischen Serie einer der Signalfrequenz entsprechenden Frequenz multipliziert würde, wobei dieselben nur in der Lage sind, in Abhängigkeit der Zeit Werte von -1 und + 1 anzunehmen (quadratisches Trägersignal). Diese Synchrondemodulation wird selbstverständlich mit Hilfe von Tiefpassfiltern erreicht«

Wenn das zu demodulierende Signal periodisch, jedoch nicht sinusförmig ist, hat das Produkt seiner geraden Oberwellen mit dem quadratischen Trägersignal einen Mittelwert von Null. Im Hinblick auf den Mittelwert gilt dies jedoch nicht für die ungeraden Oberwellen, Aus diesem Grunde stören die ungeraden Oberwellen die Empfängersynchronisation. Es

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ist jedoch trotzdem möglich, harmonische Zuordnungsfrequenzen zu verwenden, unter der Voraussetzung, daß dieselben eine inkomplette Serie von Oberwellen darstellen, wobei keine Zuordnungsfrequenz eine ungerade harmonische einer anderen darstellt. Beispielsweise können die Oberwellen der Serie (3, 4-, 5, 6, ₀... 23?) etc. als Zuordnungsfrequenzen verwendet.werden_o

In dem speziellen Fall, daß die gleichschenkelige dreieckige Wellenform für die Zuordnungssignale verwendet wird, kann der Ortszuordnungssignalgenerator 300 in einfacherer Weise konstruiert werden, so wie dies in Pig« 3 gezeigt ist. Pie Komponenten, die für beide Generatoren in Fige 2 und 3 gemeinsam sind, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet« Die Eingangsklemme für den Ortszuordnungssignalgenerator 300 von Fig. 3 ist parallel mit den Signaleingangsklemmen 3021 und 3031 der Synchrondemodulatoren 302 und 303 verbunden« Der Ausgang des Demodulators 302 ist mit dem Eingang eines Tiefpassfilters 304 verbunden, dessen Ausgang wiederum zu dem·Steueroszillator 3O6 führt.

Aus^angsseitig ist der Steueroszillator f£06 mit der Eingangsklemme 3022 des Synchrondemodulators 302 und dem Eingang des Formerkreises 307 verbunden. Der Formerkreis 307 besteht aus einem konventionellen Rechteckwellengenerator 307., einem hinsichtlich seiner Verstärkung verändern

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lichen Verstärker 307₂, dessen Verstärkung in Abhängigkeit der an seinen Steuereingang 3071 gelegten Spannung verändert werden kann, und einem konventionellen Integrator 307;*, dessen Aus gangs klemme 309 diejenige des Formerkreises 307 ist. Die Ausgangsklemme 309 ist mit der Ausgangsklemme des Ortszuordnungsgenerators 300 und der Eingangsklemme 3032 des Synchrondemodulators 303 verbunden, dessen Ausgang wiederum mit dem Tiefpassfilter 305 in Verbindung steht. Der Ausgang des Filters 305 ist mit der Steuerklemme 3071 des Verstärkers 3072 ^des Formerkreises 307 verbunden ·

Die Amplitudensteuerung des von dem Ortszuordnungssignalgenerators 3OO erzeugten Signals beruht auf einem Wechsel des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 307o· Die Steuerspannung an der Steuerklemme 3O7.>| bedingt eine Amplitudenänderung des von dem Formerkreis 307 kommenden Signals, Die Verbindungen zwischen dem Steueroszillator 3O6, dem Formerkreis 307, dem Synchrondemodulator 303 und dem Tiefpassfilter 305 sind ihrer gegenseitigen Verbindungen den Verbindungen in Fig» 2 identisch, wobei ebenfalls die Funktionsweise der einzelnen Elemente dieselbe ist.

Im Hinblick auf die Steuerung der Phase des an den Ortszuordnungssignalgenerator 300 geleiteten Signals masht

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bei dieser Alternativlösung die Verzögerung um eine Viertelperiode zwischen den Nulldurchgängen des den EOrmerkreis 307 zugeführten und abgeleiteten Signals den in 3?ig. 2 gezeigten Verzögerungskreis 3O8 unnötig. Dieser Kreis kann deshalb eliminiert werden und die durch den Steueroszillator 3O6 erzeugten Signale direkt der Trägereingangsklemme 3022 des Synchrondemodulator 302 zugeführt werden.

Ein weiterer Vorteil der irequeηzhubrückkopplungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in der Leichtigkeit, mit welcher die Synchronisationsanforderungen erfüllt werden können. Bei Abwesenheit einer zusätzlichen Steuerspannung ist es einzig und allein notwendig, daß der Frequenzwert des Ortsgenerators mit einer solchen Zuordnungsfrequenz ausgewählt wird, die nur geringfügig gegenüber derjenigen des entsprechenden Generators innerhalb des Senders des Nachrichtensystems verändert ist, damit eine kurzzeitLiche Änderung der Phasendifferenz zwischen dem sende- und empfangsseitigen Zuordnungssignal auftritt, bevor daä Rückkopplungselement gemäß der vorliegenden Erfindung die Phase mit dem sendeseitigen Zuordnungssignal synchronisiert. Die Phasendifferenz weist somit zu einer gegebenen Zeit einen Wert auf, der innerhalb des Bereiches liegt, in welchem die Rückkopplung wirksam wird, und in welchem deshalb die Verriegelung, d.h. die Synchronisation

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eintreten kann. Zusätzliches Rausahen, das unter normalen Arbeitsbedingungen bei einem breiten !Frequenzband auftritt, hat geringe Bedeutung, da das von dem Zuordnungssignal abgeleitete und durch Synchrondemodulation im Hinblick auf das Zuordnungssignal demodulierte und empfangsseitig erzeugte Fehlersignal vor seiner Verwendung ein sehr schmales Bandpassfilter durchläuft.

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Claims

- 351 Patentansprüche

1o Nachriciitenempf anger für den Empfang von »achrichtenmodulierten FM-Signalen und Zuordnungssignalen, welche nur die einer einzigen Zuordnungsfrequenz entsprechenden Nachrichten empfingen, insbesondere bestehend aus einem verbesserten FM-Demodulator und einem zwischen der Empfangsklemme des Empfängers und dem Eingang des verbesserten Demodulators liegenden Frequenzmischers, gekennzeichnet durch die Anwesenheit und Kombination der folgenden Merkmale:

a) Extrahierelemente (39? 30), die ein vom Ausgang des Prequenzmischers (32) hergeleitetes vorgegebenes Zuordnungssignal extrahieren.

b) Ein phasengesteuerter Steueroszillator (306),-

c) Steuerelemente, die in Abhängigkeit des Zuordnungssignaldemodulators (39) und des phasengesteuerten Steueroszillator (306) ein Phasenfehlersignal ableiten und die dasselbe dem Steuereingang des phasengesteuerten SteueroszillatojB 30 zuführen.

d) Ein Formerkreis (307), der mit dejn Ausgang des phasengesteuertsn Steueroszillators (306) verbunden ist und der eine Eingangsklemme (3071) für die Amplitudensteuerung aufweist.

e) Steuerelemente, die in Abhängigkeit des Forraerkreises (307) und des Zuordnungssignaldemodulators (39) ein

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Amplitudenfehlersignal ableiten und die dasselbe dem Formerkreis (307) über die Eingangsklemme (3071) zuführen.

f) Ein Ortsoszillator (57) und

g) Ein FM-Modulator (38), der eingangsseitig mit den Ausgängen des Ortsoszillators (37) und des Formerkreises (307) verbunden ist und der ausgangssitig mit der Frequenzmischstufe (32) verbunden ist_e

2„ Nachrichtenempfänger nach Anspruch 1, dadurch g e -

einem ke nnzeichne t, daß die Extrahierelemente aus/Zuordnungssignaldemodulator (39) und einem in S erie dazu geschalteten Verstärker (30) bestehen.

3. Nachrichtenempfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Amplitudenfehlersignal bildenden Steuerelemente aus einem Synchrondemodulator (303) und einem an dessen Ausgang liegenden Tiefpassfilter (305) bestehen.

4. Nachrichtenempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichne t, daß die ein Phasenfehlersignal bildenden Steuerlemente aus einer Verzögerungsleitung (3Ο8), welche die Phase des Zuordnungssignals gegenüber der Phase des Steueroszillators (37) um eine viertel Wellenlänge verschiebt, einem Synchrondemodulator (302), welcher mit dem Ausgang der Verzögerungsleitung (308) ver«

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bunden ist und einem Tiefpassfilter 304, welches· mit dem Ausgang des Synchrondemodulators (302) verbunden ist, besteht.

5. Nachrichtenempfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß der Formerkreis (307) Signale mit einer gleichseitigen Dreieckswellenform erzeugt,

6, Nachrichtenempfänger nach Anspruch 5» dadurch g e -

ein

kennzeichnet, daß die/Phasenfehlersignal erzeugenden Steuerelemente einzig und allein aus einem Synchrondemodulator (303) und einem mit dessen Ausgang verbundenen Tiefpassfilter (305) bestehen.

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