DE2241060B2 - Zweistufiger Transistorverstärker und Übertragungsverfahren für ein Kabel-Fernsehsystem - Google Patents

Description

und einem Stromrückkopplungszweig zwischen den Transistoren vorgesehen ist und die beiden Verstärker in Gegentaktschaltung zur Unterdrückung der zweiten Oberwelle geschaltet sind.

11. Verstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß die Phasenverschiebung über die gesamte Bandbreite der Fernsehsignale in einem Bereich von 90 ± !5° gehalten wird.

12. Verstärker iiach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung über eine Bandbreite von ungefähr 260 MHz in dem angegebenen Bereich gehalten ist

13. Verfahren zum Herabsetzen der Amplitudenmodulation des Fernsehsignals eines Fernsehkanals durch das Signal eines zweiten Fernsehkanals auf Grund der Kreuzmodulation zwischen den beiden gleichzeitig über ein Fernsehkabel übertragenen Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß die über das Kabel übertragenen Fernsehsignale mit einem Transistorverstärker mit zwei Stufen verstärkt und eine Spannungsrückkopplung und eine Stromrückkopplung von der Ausgangsstufe des Verstärkers zur Eingangsstufe des Verstärkers vorgesehen und dadurch die Phasenverschiebung der Verstärkerschleife bei im wesentlichen 90° über die gesamte Bandbreite der Fernsehsignale gehalten wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung der Verstärkerschleife in einem Bereich von 90 ± 15° innerhalb der gesamten Fernsehbandbreite _bwiialten wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung über eine Bandbreite von ungefähr 260MHz in dem angegebenen Bereich gehalten ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen zweistufigen Transistorverstärker für ein Kabel-Fernsehsystem, in welchem eine Vielzahl von getrennten Signalkanälen gleichzeitig über ein Kabel übertragen wird, sowie auf ein Verfahren zum Herabsetzen der Amplitudenmodulation des Fernsehsignals eines Fernsehkanals durch das Signal eines zweiten Fernsehkanals auf Grund der Kreuzmodulation zwischen den beiden gleichzeitig über ein Fernsehkabel übertragenen Signalen.

Bei Kabelfernsehsystemen, bei denen die Signale vieler Fernsehkanäle über eine Kabel-Hauptstation an eine Vielzahl von entlang dem Kabel angeschlossenen Teilnehmern übertragen werden, sind zahlreiche Verstärker in Kaskade geschaltet und im Abstand voneinander längs des Kabels angeordnet, um der Signalschwächung im Kabel entgegenzuwirken. Die Anzahl der Teilnehmerstationen, die an einem Kabel angeschlossen sein kann, hängt von der Länge des verwendeten Kabels ab, und diese hängt wiederum von gewissen begrenzenden Faktoren einschließlich der Anzahl der getrennten Verstärker ab, welche in Kaskade geschaltet werden können, bevor das Signal/ Rauschverhältnis auf einen unannehmbaren Wert abfällt. Eine Lösung für das Rauschproblem besteht darin, daß die Verstärker bei höheren Ausgangspegeln betrieben werden; damit nimmt aber auch die Verzerrung der Verstärker zu, wodurch wiederum ein Grenzwert gegeben ist. Somit sind derartige Systeme

einerseits durch Verzerrung und andererseits durch Rauscheinflüsse beeinträchtigt, und diese beiden Faktoren begrenzen die Länge des Kabelabschnittes, die benutzt werden kann.

Ein wesentlicher Faktor bei der Verzerrung entlang der Verstärkerkette ist die Kreuzmodulation iuf Grund der Nichtlinearität der Verstärker in der Kette, d. h. die Modulation eines der Trägersignale durch die bezüglich der Amplitude modulierten Signale des anderen Trägers. Beispielsweise werden die Hurizont?l-Synchronisierimpulse auf dem Kanal 2 durch Amplitudenmodulation des Trägersignais dieses Kanals erzeugt. Die Kreuzmodulation in dem System führt dazu, daß diese Amplitudenmodulation auch in einem oder mehreren der anderen Kanäle, beispielsweise dem Kanal 5 auftritt und das Fernsehbild dieses Kanals unbrauchbar macht.

Um diese Wirkungen der Kreuzmodulation zu unterdrücken, hat man versucht möglichst lineare Verstärker zu bauen, indem man bessere Transistoren verwendete und diese bei hohen Strom- und Spannungspegeln betrieb. Indessen muß man nicht nur die Verzerrungen herabsetzen, sondern auch über die gesamte Bandbreite des Verstärkers eine flache Verstärkungscharakteristik erreichen. Die Fernsehbandbreite erstreckt sich von 40 bis 300MHz, und bezüglich des Stromes wird gefordert, daß die Verstärkung sich über der gesamten Bandbreite um weniger als ¹A dB ändert. Dadurch wird sichergestellt, daß einzelne Fersehkanäle nicht mehr verstärkt werden als andere und die Verstärker nicht in die Sättigung getrieben werden.

Bei der Auslegung dieser Verstärker ist es auch sehr wichtig, daß eine annehmbare Widerstandsanpassung zwischen dem Kabel und dem Verstärker am Einlaß und am Auslaß jedes Verstärkers erreicht wird und daß die Widerstandsanpassung über die gesamte Frequenzbandbreite aufrechterhalten wird. Es sind strenge Richtlinien bezüglich der Impedanzanpassung längs der Verstärkerkette erforderlich, um sicherzustellen, daß keine Signalreflexionen an den E-ngangs- und/oder Ausgangsverstärkerklemmen auftreten, welche zu unannehmbaren Schattenbildern in den empfangenen Fernsehbildern führen würden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Wirkung der Kreuzmodulation erheblich herabgesetzt ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die beiden Verstärkerstufen durch einen Spannungs- und einen Stromrückkopplungszweig miteinander verbunden sind und daß die Rückkopplungsimpedanzen derart gewählt sind, daß sich über die gesamte Bandbreite der Fernsehsignale eine Gesamt-Phasenverschiebung des Verstärkers von etwa 90° ergibt. Zweistufige Verstärker mit einem Spannungs- und einem Stromrückkopplungszweig sind an sich bekannt, jedoch wird die Rückkopplung nicht dazu benutzt, eine Phasenverschiebung von 90° zu erreichen.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zum Herabsetzen der Amplitudenmodulation des Fernsehsignals eines Fernsehkanals durch das Signal eines zweiten Fernsehkanals auf Grund der Kreuzmodulation zwischen den beiden gleichzeitig über ein Fernsehkabel übertragenen Signale, dadurch gekennzeichnet, daß die über das Kabel übertragenen Fernsehsignale mit einem Transistorverstärker mit zwei Stufen verstärkt und eine Spannungsrückkopplung und eine Stromrückkopplung von der Ausgangsstufe des Verstärkers zur Eingangsstufe des Verstärkers vorgesehen und dadurch die Phasenverschiebung der Verstärkerschleife bei im wesentlichen 90° über die gesamte Bandbreite der Fernsehsignale gehalten wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unieransprüchen gekennzeichnet.

Die Verminderung der Kre^zmodulation beim

ίο Gegenstand der Erfindung gestattet es, die Verstärker mit höheren Ausgangspegeln zu betreiben und dadurch die nutzbare Länge des Kabels und die Anzahl der anschließbaren Teilnehmerstellen wesentlich zu erhöhen. Auch kann eine optimale Impedanzanpassung des Kabels an den Eingang bzw. Ausgang des Verstärkers durch entsprechende Auswahl der Widerstandselemente der Verstärkerschaltung erreicht werden, so daß Signalreflexionen längs des Kabels im wesentlichen vermieden werden. Schließlich ist es möglich, die Flachheit der Verstärkungscharakteristik über die gesamte Fernsehbandbreite aufrechtzuerhalten.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar

F i g. 1 ein Spektrum eines Paares von Fernsehträgerfrequenzen der Kanäle 2 und 5, wobei mit der Trägerfrequenz von Kanal 5 bezüglich der Amplitude modulierte Seitenbandsignale übertragen werden und diese Seitenbandsignale durch Kreuzmodulation auch auf den Kanal 2 übertragen werden,

Fig. 2A, 2B ein Zeigerdiagramm der Trägersignale und der oberen und unteren Seitenbandsignale,

Fig. 3 ein Diagramm der Phasenverschiebung einer Verstärkerschleife über der Frequenz bei einem herkömmlichen Verstärker und bei einem Verstärker nach der Erfindung,

F i g. 4 ein Diagramm einer einfachen Form einer Verstärkerschaltung nach der Erfindung,

Fig . *> eine andere Ausführungsform eines Verstärkers nach der Erfindung mit einem Ausgangskanal,

Fig. 6 eine andere Ausführungsform eines Verstärkers nach der Erfindung, bei welchem ein Paar Verstärk'TSchaltungen in Gegentaktschaltung verbunden sind.

In Fig. 1 ist eine Spektralcharakteristik der Signale zweier Fernsehkanäle dargestellt, die gleichzeitig über ein Fernsehkabel übertragen werden können, wobei sich versteht, daß derzeit die Signale von bis zu 50 Kanälen übertragen werden können. Es sind zwei in Prüfgeräten verwendete Seitenbandsignale dargestellt, wogegen beim tatsächlichen Betrieb ein Seitenband unierdrückt ist, um mit weniger Bandbreite auszukommen. Eimer dieser Kanäle, beispielsweise der Kanal CH5 mit dem Träger 11, ist mit einem Synchronisiersignal behaftet, und dieser Träger ist zusammen mit den durch die Amplitudenmodulation entstandenen Seitenbandfrequenzen 12 und 13 dargestellt. Wegen der Nichtlinearität der Verstärker in der Kabelkette führt die Kreuzmodulation dazu, daß das Synchronisiersignal des Kanals 5 als Amplitudenmodulation auch in einem Nachbarkanal, beispielsweise dem Kanal CH2 mit dem Träger 14, auftritt. Die Verstärker entlang der Kette müssen mit einem hinreichend niedrigen Ausgangspegel betrieben werden, so daß dieses kreuzmodulierte Signal im Kanal 2, welches durch Seitenbänder 15, 16 dargestellt ist, nicht das Bild des Kanals 2 beeinträchtigt, das für den Teilnehmer entsteht, welcher den Kanal 2 längs des Kabels betrachtet. Diese Herabsetzung des

Signalpegels begrenzt die Länge des Fernsehkabels, welches in dem System verwendet werden kann. Verstärker mit verbesserter Linearität tragen dazu bei, dieses Problem zu lösen, obgleich zusätzliche Probleme einschließlich der Impedanzfehlanpassung an den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des Verstärkers sowie der Flachheit der Verstärkerkurve auftreten.

Es wurde indessen nunmehr herausgefunden, daß die Kreuzmodulation wesentlich herabgesetzt und damit dieser Anteil der Verstärkungsverzerrung unter Kontrolle gebracht werden kann, wenn man die Phasenverschiebung der Verstärkerschleife nahe bei 90° über die gesamte Betriebsbandbreite hält. Die Wirkung der konstanten Phasenverschiebung von 90° wird am besten aus F i g. 2A verstanden, wo die beiden bezüglich der Amplitude modulierten Seitenbandfrequenzen 15 und 16, welche dem benachbarten Trägersignal 14 aufmoduliert wurden, als zwei Zeiger dargestellt sind, die dem Zeiger des Trägersignals hinzugefügt sind. Diese beiden Seitenbandfrequenzen 15 und 16 drehen sich in entgegengesetzten Richtungen entsprechend dem Verlau^r der Modulationssignale, und wenn sie nach oben gerichtet sind, verstärken sie die Amplitude des Trägersignals, während sie dessen Amplitude verringern, wenn sie nach unten gerichtet sind, so daß sich eine Amplitudenmodulation des Trägersignals ergibt. Da die Fernsehempfänger der Teilnehmer diese Amplitudenmodulation mit aufnehmen, ist die Signalveränderung im Wiedergabebild zu sehen.

Wenn die Ausrichtung dieser beiden Zeiger der Seitenbänder 15 und 16 gemäß F i g. 2B um 90° gedreht wird, so ergibt sich, daß die Amplituden der beiden Zeiger sich in entgegengesetzt gleichen Richtungen erstrecken und die Amplituden sich auslöschen und zu keiner Amplitudenveränderung im Hauptträgerzeiger führen. Wenn beispielsweise der eine Zeiger der Seitenbandmodulation nach oben gerichtet und der andere nach unten gerichtet ist und die beiden Zeiger sich auslöschen, so führt dies insgesamt zu keiner Änderung der Amplitude des Trägers 14. Obwohl die Kreuzmodulation noch auftritt, manifestiert sie sich jedoch durch die 90°-Phasenverschiebung nicht mehr als Amplitudenmodulation des Trägers. Da der Fernsehempfänger lediglich auf die Amplitudenmodulation und nicht auf die Phasenmodulation der Signale anspricht. wird diese Art der Modulation entgegen der in Fig. 2A erläuterten Modulation nicht auf dem Bildschirm wiedergegeben. Es sei angemerkt, daß das ursprüngliche modulierte Signal, welches die Bildinformation des Kanals 2 trägt, durch diese Phasenverschiebung nicht beeinträchtigt wird

Die neue Verstärkerschaltung stellt sicher, daß die Phasenverschiebung der Verstärkerschleife nahe bei 90° über dem gesamten Betriebsfrequenzband des Systems bleibt. Dies ist in Fig.3 durch die Kurve A dargestellt; die Kurve B erläutert die Art der Phasenverschiebung, die sich in herkömmlichen rückgekoppelten Verstärkerschaltungen für Kabelfernsehsysteme ergibt.

Für einen zufriedenstellenden Betrieb ist es nicht erforderlich, daß die Phasenverschiebung exakt bei 90° gehalten wird, da auch außerhalb dieses optimalen Wertes bei Phasenverschiebungen zwischen 90 ± 15" gute Ergebnisse erhallen werden. In Fig.4 ist schematisch ein Schaltungsdiagramm einer einfachen Verstärkerschaltung dargestellt. Die Schaltung weist ein Transistorpaar 21, 22 auf, wobei die Basis 23 des Eingangsverstärkers 21 mit der Eingangsklemme 24 des Verstärkers verbunden ist, welcher die eintreffenden Fernsehsignale von dem Fernsehkabel 25 zugeführt werden. Der Kollektor 26 des Ausgangstransistors 22 ist mit der Ausgangsklemme 27 des Verstärkers verbunden, um die verstärkten Ausgangsfernsehsignale an den anschließenden Fer.isehkabelabschnitt 25' zu übertragen. Die Emitier 28 und 29 der beiden Transistoren sind über die zugeordneten Emitterwiderstände Re ι bzw. Re 2 mit Masse verbunden. Der Kollektor 31 des Eingangstransistors 21 ist mit der Basis des Ausgangstransistors 22 verbunden. Eine Spannungsrückkopplungsschaltung 33 mit dem Widerstand Rf 1 führt vom Kollektorausgang 26 des Ausgangstransistors 22 zurück zum Emitter 28 des Eingangstransistors 21. Eine Stromrückkopplungsschallung 34 mit einem Widerstand Rf 2 führt vom Emitter 29 des Ausgangstransistors 22 zur Basis 23 des Eingangstransistors 21. Auf diese Weise wird ein Teil der Ausgangsspannung an die Eingangstransistorschaltung zurückgeführt, und ein Teil des Ausgangsstromes durch den Emitterwiderstand des Ausgangstransistors 22 wird auf die Eingangsschaltung zurückgekoppelt. Diese doppelte Verstärkerrückkopplung ergibt verschiedene günstige Eigenschaften.

Die Phasenverschiebung der Verstärkerschleifc wird im wesentlichen durch die Phasenverschiebung Φ des Ausgangstransistors gebildet. Diese Phasenverschiebung ist im wesentlichen 90° über die gesamte Frequenzbandbreite. Daher wird die Phasenverschiebung der Verstärkerschleife nahe bei 90° über das gesamte Frequenzband gehalten und die Kreuzmodulation wirksam unterdrückt oder zumindest wesentlich bis auf den Punkt vermindert, wo sie nur eine untergeordnete Rolle bei der Verstärkerverzerrung bildet.

Zusätzlich wird die Impedanz an den Eingangs- und Ausgangsklemmen des Verstärkers zu einem Wirkwiderstand, und durch einfache Auswahl des Widerstandswertes kann die Verstärker-Ausgangsimpedanz Ro exakt auf die Impedanz Ri des Ausgangsfernsehkabels 25' abgestimmt werden, die beispielsweise 75 Ω beträgt. Durch die Auswahl des geeigneten Wertes der Widerstandselemente für eine Anpassung von 75 Ω am Ausgang ist die Impedanz R, des Verstärkers etwas geringer als 75 Ω. bildet aber immer noch einen Wirkwiderstand, und die geeignete Impedanzanpassung für das Eingangsfernsehkabel kann durch einen einfachen Trimm-Widerstand Rb erreicht werden, der in den Eingangskreis eingefügt wird, um die Widerstandsanpassung auf den gewünschten Wert von 75 Ω für den Widerstand Rs zu bringen. Die neue Verstärkerschaltung ergibt also eine gute Wirkwiderstandsanpassung an beiden Eingangs- und Ausgangsklemmen, und diese Anpassung wird über das gesamte Betriebsfrequenzband des Systems aufrechterhalten.

In Fig.5 ist eine andere Ausführungsform der Verstärkerschaltung dargestellt, bei welcher ein Eingangsübertrager 41 und eine Ausgangsinduktionsspule 42 verwendet werden, um den Verstärker mit den Eingangs- und Ausgangsfernsehkabeln zu verbinden. Dies ergibt eine höhere Flexibilität bei der Impedanzanpassung an den Klemmen und erlaubt den Betrieb mit einem Ausgangskabel von 50 Ω sowie mit einem solchen von 75 Ω. Der Emitter des Ausgangstransistors 22 ist über einen Kondensator CX mit dem Emitterwiderstand Rei gekoppelt, der in diesem Fall im Kollektorkreis 31 des Eingangstransistors 21 liegt, um die effektive Belastung herabzusetzen. Der Kondensator bildet bei der Betriebsfrequenz des Verstärkers einen Kurzschlußkreis. In der Spannungsrückkopp-

lungsschaltung «st in Reihe mit dem Widerstand Rn ein Kondensator C2 geschaltet, so daß sich eine /?C-Kopplung zwischen dem Emitter des Eingangstransistors und dem Kollektor des Ausgangstransistors ergibt. /?i und Ru sind Vorspannungswiderstände für die Schaltung.

Die Impedanz der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse und die Verstärkung des Verstärkers werden durch die Auswahl der Werte von R&, Rb, Rn, Rb und Rn geregelt. Somit sind eine Vielzahl von Parametern zur Einstellung der Eingangs- und Ausgangsimpedanz sowie eines Verstärkungsbereichs von 10 bis 20 dB vorgesehen.

Durch die wirksame Verminderung der Kreuzmodulation durch die neue Verstärkerschaltung erhalten auch Verzerrungen zweiter Ordnung eine größere Bedeutung im Verstärker. Diese Verzerrungen zweiter

Ordnung können im wesentlichen unterdrückt werden, indem Verstärkerpaare im Gegentaktbetrieb gemäß F i g. 6 angeordnet sind. Ein Eingangsübertrager 51 wird dazu benutzt, um das Eingangssignal in zwei bezüglich der Phase um 180° versetzte Signale zur Übertragung an die beiden Verstärkerschaltungen aufzuspalten. Eine Ausgangsverstärkerschaltung 52 verbindet die beiden Verstärkerausgänge zur Übertragung durch das Fernsehkabel. Die Verzerrungsspannungen zweiter Ordnung in dem einen Verstärker sind um 180° phasenversetzt gegenüber denjenigen in dem anderen Verstärker, und diese beiden Signalverzerrungen löschen sich am Ausgang aus. Dieser Gegentaktverstärker unterdrückt daher im wesentlichen die Kreuzmodulation und Verzerrungen zweiter Ordnung in den Verstärkern des Kabelfernsehsystems.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

$09545/373

Claims (10)

2241 β Patentansprüche:

1. Zweistufiger Transistorverstärker für ein Kabel-Fernsehsystem, in welchem eine Vielzahl von getrennten Signalkanälen gleichzeitig über ein Kabel übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstärkerstufen (21, 22) in an sich bekannter Weise durch einen Spannungs- (33, Rf i) und einen Stromrückkopplungszweig (34, Rfi) miteinander verbunden sind und daß die Rückkopplungsimpedanzen derart gewählt sind, daß sich über die gesamte Bandbreite der Fernsehsignale eine Gesamt-Phasenverschiebung des Verstärkers von etwa 90° ergibt

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung in einem Bereich von 90 ± 15° über die gesamte Bandbreite des Fernsehkanals gehalten ist

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung über eine Bandbreite von ungefähr 260 MHz in dem angegebenen Bereich gehalten ist.

4. Verstärker nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsrückkopplungszweig (33, Rf\) zwischen dem Kollektor (26) des Ausgangstransistors (22) und dem Emitter (28) des Eingangstransistors (21) und der Stromrückkopplungszweig (34, Rf 2) zwischen dem Emitter (29) des Ausgangstransistors und der Basis (23) des Eingangstransistors angeschlossen ist

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsrückkopplungszweig (33) einen mit dem Emitter (28) des ersten Transistors (21) verbundenen Emitterwiderstand (Ä£i) und einen zwischen dem Kollektor (26) des Ausgangstransistors (22) und dem Emitter (28) des Eingangstransistors (21) angeschlossenen Parallelwiderstand (Rf 1) aufweist und der Stromrückkopplungszweig (34) einen mit dem Emitter (29) des Ausgangstransistors verbundenen Emitterwiderstand (Re 2) und einen zwischen dem Emitter des Ausgangstransistors und der Basis des Eingangstransistors angeschlossenen Parallelwiderstand (Rf 2) aufweist.

6. Verstärker nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsrückkopplungszweig einen in Reihe geschalteten Kondensator (C2) aufweist.

7. Verstärker nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trimm-Widerstand (Rb) an einer der Verstärkereingangs/ausgangsklemmen (24, 27) zur Abstimmung der Impedanz an dieser Klemme vorgesehen ist.

8. Verstärker nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Übertrager (41) die Basis des Eingangstransistors (21) mit einer Eingangsschaltung (24) und ein zweiter Übertrager (42) den Ausgang des Ausgangstransistors (22) mit einer Ausgangsschaltung (27) verbindet.

9. Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trimm-Widerstand (Rb) zwischen dem Eingangsübertrager (41) und der Basis des Eingangstransistors (21) vorgesehen ist.

10. Verstärker nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein ähnlicher Verstärker mit Eingangs- und Ausgangstransistoren (21', 22') und einem Spannungsrückkopplungszweig 060