DE2820072A1 - Amplitudenmodulator - Google Patents

Description

Firma SANDERS ASSOCIATES, INC., Daniel Webster Highway, South, Nashua, New Hampshire 03061/USA

Amplitudenmodulator

Die Erfindung bezieht sich auf Amplitudenmodulatoren, bei denen Phasenmodulation eingesetzt wird.

Es gibt viele Anwendungsfälle, bei denen Amplitudenmodulation eines Signals benötigt wird. Eine Gruppe dieser Anwendungsfalle sind die Sender, in denen Verstärkerstufen mit hohem Verstärkungsfaktor enthalten sind wie Wanderfeldröhren, die im Sättigungsbereich arbeiten, oder nichtlineare Verstärkungskomponenten, und bei denen die Forderung besteht, daß ein CW-Signal (ungedämpfte Welle) bei geringer und hoher Leistung ausgesendet wird. Um bei geringer Leistung zu senden, muß das CW-Signal zunächst gedämpft werden, bevor es der Verstärkerstufe zugeführt wird. Wegen des Betriebs der Verstärkerstufe im Sättigungsbereich oder der Nichtlinearität läßt sich nicht mit Sicherheit festlegen, wie stark die Dämpfung des Signals vor dem Zuführen zur Verstärkerstufe sein muß, um die gewünschte Dämpfung am Ausgang der Verstärkerstufe zu erhalten. Folglich müssen weitere Vorkehrungen getroffen werden, um Korrelation zwischen dem Maß der Dämpfung des Eingangssignals und des verstärkten Signals sicher-

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zustellen, üblicherweise wird dazu eine automatische Verstarkungssteuerung (AGC) eingesetzt. Dies jedoch ist unerwünscht, weil die AGC-Schaltung die Kompliziertheit, die Größe, die Kosten, den Leistungsbedarf usw. des Gesamtsystems erhöht. Außerdem trägt der Pegeldetektor der AGC-Schaltung zu Ungenauigkeiten bei aufgrund seiner frequenz- und temperaturabhängigen Schwankungen.

Zudem geben die typischen, in derartigen Einrichtungen verwendeten Dämpfungssysteme Anlaß zu weiteren Schwierigkeiten. Wenn Diodendämpfer verwendet werden, kommen alle üblicherweise mit Dioden in Zusammenhang stehenden Schwierigkeiten zur Auswirkung wie ihre Schaltgeschwindigkeit, ihre Temperatur- und Frequenzabhängigkeit und dergleichen. Ein Ersatz für die Diodendämpfer ist die Elektronenstrahlschaltmodulatorröhre, bei der die Verstärkung durch Steuerung einer Gitterspannung variierbar ist. Mit ihr lassen sich zwar zahlreiche Schwierigkeiten umgehen, die an Dioden gebunden sind, doch sind derartige Röhren teuer, benötigen viel Platz und sind nicht zuverlässig, denn ihnen ist die hohe Ausfallquote eigen, die üblicherweise bei Röhren anzutreffen ist, und außerdem benötigen diese Röhren zum Betrieb hohe Speisespannungen.

Man umgeht die Schwierigkeiten der nichtlinearen Dämpfung der Verstärkerstufe, indem keine automatische Verstärkungssteuerung eingesetzt wird sondern vielmehr entweder mit voller Leistung gesendet wird oder gar nicht während des gedämpften Teils des Signals, indem das Signal ein und ausgeschaltet wird mit einer Folge, die erheblich über der Bandbreite der das Signal aufnehmenden Empfänger liegt. Dieser Einsatz eines Tastverhältnisses

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anstelle der Dämpfung bringt jedoch in sich selbst zahlreiche Probleme mit sich, da dazu extrem schnell arbeitende Diodenschalter benötigt werden. Wenn beispielsweise ein Empfänger eine Zwischenfrequenzbandbreite von 10 MHz hat, dann ist eine Schaltgeschwindigkeit von wenigstens 40 MHz erforderlich, damit die Auswirkung des Schaltens durch den Empfänger nicht mehr von der echten Dämpfung unterschieden werden kann. Wenn dann eine 20 dB-Dämpfung benötigt wird, dann muß eine Impulsbreite von 2,5 ns erzeugt werden. Dies bedeutet, daß die Anstiegs- und Abfallzeigen der Schaltimpulse in Größenordnungen unter einer ns liegen müssen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Amplitudenmodulator zu schaffen, in dem keine automatische Verstärkungssteuerung benötigt wird, um eine präzise Dämpfung hervorzubringen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird, kurz gesagt, eine Amplitudenmodulation eines CW-Signals dadurch geschaffen, daß das CW-Signal mit hoher Folgefrequenz zweiphasenmoduliert wird und mit

ist

einem Tastverhältnis, das bezogen'auf den gewünschten Dämpfungsgrad. Das CW-Signal wird einem Phasenumkehrschalter zugeführt, der in einem asymmetrischen Tastverhältnis derart betrieben wird, daß die mittlere Ausgangsamplitude proportional zur Differenz der zwejlWellenabschnitte der asymmetrischen Schaltwelle ist. Das Ausgangssignal des Phasenumkehrschalters hat dann einen Spektralgehalt, dessen Mittellinie durch die Eingangsfrequenz festgelegt ist, und weist zahlreiche Seitenbänder auf, die einen durch die Schaltrate vorgegebenen Abstand haben. Diese Seitenbänder stellen kein Problem dar, da die infragekommenden Empfänger Schmalbandempfänger sind und deswegen auf die Seitenbän-

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-6-der nicht ansprechen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen im einzelnen dargelegt. Es zeigen:

Fig. 1: ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2: ein Diagramm von für den Betrieb der ersten Ausführungsform typischen Wellenformen;

Fig. 3: ein die Veränderung des Spektralgehaltes des Ausgangssignals der ersten Ausführungsform in Abhängigkeit von den Eingangssignalen aufzeigendes Diagramm;

Fig. 4: ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5: typische, im zweiten Ausführungsbeispiel zum Einsatz kommende Wellenformen;

Fig. 6: ein die Dämpfungscharakteristik des zweiten Ausführungsbeispiels zeigendes Diagramm.

Fig. 1 zeigt einen Amplitudenmodulator mit einem Phasenumkehrschalter 10, der durch das Ausgangssignal eines Rechteckwellengenerators 12 geschaltet wird. Ein typisches Signal, das moduliert werden soll, ist als Welle A in Fig. 2 dargestellt. Diese ungedämpfte Welle A geht dem Phasenumkehrschalter 10 an seinem Eingang 14 zu. Der Rechteckwellengenerator 12 bringt an seinem Ausgang als typisches Signal die Rechteckwelle B der Fig. 2 hervor, die dem Eingang 16 des Phasenumkehrschalters 10 zugeleitet wird. Aufgrund der Eingangswellen A und B gibt der Phasenumkehrschalter 10 an seinem Ausgang die Wellenform C gemäß Fig. 2 ab. Daran zeigt sich, daß bei jedem Polaritätswechsel der Modulationswelle B die Phase des Ausgangssignals 18 umgeschaltet wird. Für die in der Fig. 2 dargestellten Wellenformen ist das Dämpfungs-

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verhältnis gegeben durch die Differenz der beiden Abschnitte der Rechteckwelle B, im vorliegenden Fall durch die Differenz zwischen 67% und 33%, was einen Dämpfungsfaktor von 0,34 ergibt. Mit anderen Worten, die Mittenfrequenz des Spektrums hat eine Amplitude von 34% der Amplitude der Eingangswelle A.

Fig. 3 enthält mehrere Spektrumsdiagramme, die die Arbeitsweise der Erfindung darstellen. Das Spektrumsdiagramm A zeigt das Spektrum der Welle A in Fig. 2, deren Mittenfrequenz die normalisierte Amplitude 1,0 hat. Das Diagramm B der Fig. 3 zeigt ein typisches Spektrum, wenn die asymmetrische Rechteckwelle vom Rechteckwellengenerator 12 eine Bereichsaufteilung von 90% zu 10% hat. Damit erhält die Mittenfrequenz f eine Amplitude, die sich aus der Differenz von 90% und 10% ergibt, also eine Amplitude vom 0,8-fachen der Eingangswelle 14. Das Diagramm C zeigt ein Spektrum, bei dem das Verhältnis der beiden Abschnitte der Rechteckwelle 60 zu 40 ist, womit sich eine Amplitude der Mittenfrequenz von 20% der Ausgangsamplitude ergibt. In diesem Fall sind vermutlich die Amplituden der Seitenbänder größer als die Amplitude der Mittenfrequenz. Schließlich zeigt das Diagramm D der Fig. 3 für die Mittenfrequenz f überhaupt keinen Ausgangswert, was der Fall ist, wenn die Modulationswelle aus dem Rechteckwellengenerator 12 symmetrisch ist (50% Tastverhältnis).

Somit kann man auf einfache und billige Weise durch Einsatz eines Phasenumkehrschalters, der mit einer einfachen asymmetrischen Rechteckwelle aus einem Rechteckwellengenerator gesteuert wird, eine zuverlässige Dämpfung erhalten. Diese Schaltung hat gegenüber den bisher verwendeten Dämpfungsmethoden viele Vorteile, denn der Ausgangswert jeder Verstärkerstufe, die sich an

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den Phasenumkehrschalter anschließt, arbeitet stets voll, so daß keine AGC-Schaltung benötigt wird. Da der Schalter sich stets vollständig in dem einen oder dem anderen Schaltzustand befindet mit Ausnahme während der Umschaltzeit, wird seine Arbeitsweise nicht wesentlich durch Temperaturänderung beeinflußt, und wegen des schnellen Umschaltvorgangs schwanken die Schaltverluste nur vernachlässigbar wenig mit der Frequenz. Da dieser Art Schalter eine beliebige Anzahl von Verstärkungsstufen nachgeschaltet sein kann, kann er in der Schaltungseinrichtung an einer Stelle mit niedrigem Niveau eingesetzt werden, so daß es

sich um eine für schwache Leistung bemessene Einrichtung handelt. Die Dämpfung hängt ausschließlich vom Tastverhältnis ab, von einem Wert also, der sehr stabil gehalten und genau eingestellt werden kann.

Der Modulator besteht nur aus einem Phasenumkehrschalter, der von einer hochfrequenten Rechteckwelle mit genau vorgegebenem Tastverhältnis gesteuert wird. Derartige Phasenumkehrschalter können Gegentaktmischer und Gegentaktmodulatoren sein. Die theoretische Grundlage der Arbeitsweise eines solchen Modulators wird von den früher genannten Dämpfungsverfahren abgeleitet, bei denen Ein/Aus-Schalten benützt wird.

Wenn ein CW-Signal (ungedämpfte Welle) mit einer Geschwindigkeit zerhackt wird, die verglichen mit der Empfängerbandbreite hoch ist, dann wird die effektive Spannung im Empfänger im Masse des Tastverhältnisses d reduziert.

V, = d

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Wenn ein gegenüber dem ersten um 180° phasenverschobenes weiteres CW-Signal derart zerhackt wird, daß es die Lücken des ersten Signals ausfüllt, dann ist seine effektive Spannung proportional seinem Tastverhältnis 1-d.

V₂ = 1-d

Bei Überlagerung subtrahieren sich diese beiden Signale so, daß die sich daraus ergebende effektive Spannung folgenden Wert hat

V₀ = 1-2d

und die effektive Leistung

P_n = (1-2d)²

Eine starke Dämpfung mit hoher Genauigkeit mit Hilfe eines Modulators gemäß Pig. 1 zu erhalten, ist manchmal schwierig, insbesondere bei hohen Frequenzen, da im Phasenumkehrschalter ein gewisser Verlust auftritt und dieser Verlust sich phasenabhängig ändert, wobei es dann das gewünschte Signal vergrößert oder verkleinert. Um diesem Problem entgegenzuwirken, kann die Schaltung nach Fig. 4 verwendet werden, bei der das Eingangssignal 14 dem ersten Phasenumkehrschalter 20 eingegeben wird, dessen zweitem. Eingang vom Rechteckwellengenerator 22 dessen Ausgangswelle zugeführt wird. Der Ausgang des Phasenumkehrschalters 20 wird einem zweiten, nachgeschalteten Phasenumkehrschalter 24 eingegeben, der an seinem zweiten Eingang mit einer zweiten Rechteckwelle vom Rechteckwellengenerator 26 versorgt wird. Bei dieser Ausführungsform sind die Rechteckwellen der Generatoren 22 und 24 im Gegensatz zu den bei der ersten Ausführungsform verwendeten asymmetrischen Wellen symmetrisch. Es wird dagegen die relative Phasenlage der beiden Rechteckwellen von den Generatoren 22 und 24 so

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-10-eingestellt, daß die gewünschte Dämpfung erhalten wird.

Dies zeigt die Fig. 5, in der die Rechteckwelle A vom Rechteckwellengenerator 22 und die Rechteckwelle B vom Rechteckwellengenerator 24 stammt. Diese beiden Wellen sich nicht miteinander in Phase. Die Resultierende dieser beiden Rechteckwellen A und B ist die Welle C in Fig. 5.

Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel die beiden Rechteckwellen in Phase sind, dann verläßt das Eingangssignal 14 die Schaltung am Ausgang 28 den Phasenumkehrschalter 24 ohne Veränderung, während bei einer Phasenverschiebung der Wellen A und B von 90° der Ausgang mit einem Tastverhältnis von 50% verändert ist. Die Veränderung der Ausgangsgröße(Mittenfrequenz) am Ausgang 28 erfolgt linear mit der Änderung der gegenseitigen Phasenlage der Wellen A und B, was in der Fig. 6 dargestellt ist. Man erhält also bei einer Phasenverschiebung von 45° zwischen den modulierenden Wellen A und B am Ausgang 28 einen effektiven Wert von der Hälfte der Eingangsspannung.

Bei dieser Ausführungsform werden alle Streuverluste von der ersten Stufe durch die zweite Stufe weggeschnitten, so daß die Trennung (in dB) zweimal so gut wie bei einer einzigen Stufe ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel braucht die einzelne Rechteckwellenfrequenz nur z.B. 20 MHz sein, um eine 40 MHz Ausgangsfrequenz zu erzielen.

Die vorangehende Beschreibung befaßt sich mit Phasenverschiebung von zwei Rechteckwellen; es ist jedoch auch möglich, Tast-

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verhältnisveränderungen hervorzurufen, wenn nur eine Welle in ihrer Phasenlage geändert wird.

Um noch größere Genauigkeit zu erzielen, können auch mehr als zwei Stufen eingesetzt werden. Es können beispielsweise drei Phasenumkehrschalter mit ihren modulierenden Rechteckwellen verwendet werden. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel würden dann die ersten beiden Modulationswellen beispielsweise 90° Phasenverschiebung und die dritte eine solche Verschiebung haben, die proportional der gewünschten Dämpfung ist. Es ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen, da auch andere Phasendifferenzen zwischen den modulierenden Wellen verwendet werden können, wie auch Tastverhältnisvariationen. Sowohl für die einstufige als auch die mehrstufige Schaltungsanordnung ist festzustellen, daß die wirksame Auftrennung im System verbessert ist, indem die nachfolgenden Verstärker auf das begrenzt werden, was am Ausgang des Zweiphasenmodulators selbst gemessen wird. Dies ergibt sich, weil jegliche Amplitudenungleichheit zwischen den beiden Stufen eines Modulators durch Begrenzung verringert oder beseitigt ist. Somit bleibt nur noch der Streuverlust durch Phasenfehler, d.h. wenn nicht genau um 180° verschoben wird.

Die Beschreibung der Erfindung erfolgte der Einfachheit halber anhand einer CW-Signal-Modulation, doch bleiben die Grundgedanken unverändert, wenn die Erfindung bei anderen Signalformen angewendet wird, wie bei AM, FM, TM, bei Impulsen und Kombinationen daraus sowie bei Frequenzen vom Bereich ganz niedriger Werte bis hin zur Lichtfrequenz.

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Claims (5)

PATENTANS PRÜCHE

1.- Einrichtung zum Amplitudenmodulieren eines Signals, gekennzeichnet durch einen Phasenumkehrschalter (10) mit zwei Eingängen (14,16), dem am ersten Eingang (14) ein Eingangssignal (A) und am zweiten Eingang (16) ein asymmetrisches Rechtecksignal (B) zugeführt wird, welches Phasenumkehr des dem ersten Eingang (14) zugeführten Eingangssignals (A) hervorruft mit der Wirkung einer Leistungsverminderung an der Mittellinie des Ausgangsspektrums bei der Frequenz des Eingangssignals·

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenumkehrschalter (10) ein Gegentaktmischer ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenumkehrschalter (10) ein Gegentaktmodulator ist.

4.

Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Kaskadenschaltung mehrerer Einzelstufen (20,22; 24,26), wobei die Phasenbeziehung der Rechteckwellen (A,B) zur Dämpfungssteuerung des Eingangssignals abgestimmt sind.

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Sankhaus Merck, Finck & Co.. München (BLZ 70030400) Konto-Nr. 254 649

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Telegrammadresse. Patentsenior

Postscheck: München ^— 2"~

(BLZ 70010080) Konto-Nr. 20904-800

ORIGINAL INSPECTED

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Rechteckwellen ein asymmetrisches Tastverhältnis hat.

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