DE497117C - Traegerfrequenzuebertragungssystem mit Phasenausgleich - Google Patents

Description

Bei der Übertragung von Signalströmen, z. B. beim Fernsprechen, bei der Bildtelegraphie o. dgl., mit Hilfe von Trägerströmen können infolge der Abhängigkeit des Phasenmaßes von der Frequenz Verzerrungen besondererArt entstehen, die sich als eine eigenartige Beeinflussung der Dämpfung zwischen den Niederfrequenzteilen auf beiden Seiten äußern. Diese von der Frequenz abhängige

ίο scheinbare Dämpfung der durch Trägerströme übertragenen Signale ist auch dann vorhanden, wenn die Dämpfung für einen reinen Sinusstrom in dem betreffenden Frequenzbereich praktisch unabhängig von der Frequenz ist. Von den Verzerrungen durch Einschwingvorgänge, die auf die Frequenzabhängigkeit des Phasenmaßes zurückzuführen sind, unterscheiden sich die hier gemeinten Verzerrungen dadurch, daß sie auch im ein-

ao geschwungenen Zustande vorhanden sind. Sie bilden eine besondere Eigentümlichkeit der Trägerfrequenzübertragungssysteme und haben ihre Ursache darin, daß die Teilfrequenzen (Träger- und Seitenbandfrequenzen) eines Signals verschiedene Phasenverschiebungen erleiden und sich daher am Ende des Systems in anderer Weise zusammensetzen als am Anfang.

Gemäß der Erfindung können diese Verzerrungen bei der Übertragung mit Trägerfrequenzen durch eine zweckentsprechende Beeinflussung der Abhängigkeit der Phasenverschiebung von der Frequenz vermindert" oder beseitigt werden. Zu diesem Zweck werden durch phasenverschiebende Netzwerke im Trägerfrequenzteil des Übertragungssystems die Phasenwinkel so abgeändert, daß die Laufzeiten, die näherungsweise der Ableitung des Phasenwinkels nach der Frequenz entsprechen, in dem in Betracht kommenden Frequenzbereich eine gerade Funktion von der Differenz zwischen der betreffenden Frequenz und der Trägerfrequenz sind.

Zur Erläuterung der Erfindung sei der Einfachheit halber der Fall betrachtet, daß man die Trägerfrequenz h mit einer einzelnen Niederfrequenz η moduliert. Hierbei entsteht eine Schwingung, die als Gemisch von drei Schwingungen aufzufassen ist, von denen die eine die Trägerfrequenz h besitzt, während die beiden anderen die Frequenzen h -f- η und h — η haben.

Betrachtet man das zeitliche Bild dieses Schwingungsgemisches, wie es etwa durch einen Oszillographen aufgenommen werden könnte, so erscheint es als eine Schwingung mit der Trägerfrequenz h, deren Amplitude mit der Frequenz η schwankt, und zwar ist dieses Bild um so deutlicher, je höher die

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden: ''

Hans Bartels in Berlin-Bahlem.

Trägerfrequenz gegenüber der modulierenden Niederfrequenz ist. Die Berandungskurve ist eine Sinuskurve mit der Frequenz n, deren Amplitude der Amplitude des modulierenden Stromes entspricht.

Das Bild ändert sich jedoch im allgemeinen erheblich, wenn die gemischte Schwingung durch ein elektrisches System mit starken Phasenverschiebungen geschickt wird, wobei ίο die Frequenzen Ä—n, h und k-\-n verschiedene Phasenverschiebungen erleiden, selbst wenn für diese drei Frequenzen die Dämpfun- · gen vollkommen gleich sind. Sind die Phasenverschiebungen für die drei Frequenzen der Reihe nach a_t, a₂ und a_s, so tritt eine solche Änderung immer dann ein, wenn a₂ — Ci₁ ungleich a_B — a₂ ist,, d. h. wenn die Phasenverschiebungen der Seitenbandfrequenzen relativ zur Trägerfrequenz nicht entgegengesetzt gleich sind.

Dies läßt sich durch ein Vektordiagramm veranschaulichen. Denkt man sich z. B. den Spannungsvektor c„ der Trägerschwingung feststehend, so lassen sich die Spannungsvektoren der beiden Seitenbandschwingungen als Vektoren mit einander gleichen Amplituden C₁ und c_s darstellen, die sich mit der Frequenz — η >zw. -f- η gegenüber den feststehenden Vektoren drehen. Zu einer willkürlich annehmbaren Zeit Null hat dann gegenüber c₂ der Vektor C₃ die Phasenverschiebung a_s — a₂ und der Vektor C₁ die Phasenverschiebung G₁ — a₂ (Aibb. 1). Da die beiden Vektoren c₈ und C₁ sich von dieser Anfangslage aus mit entgegengesetzt gleichen Geschwindigkeiten drehen, setzen sie sich für jeden Zeitaugenblick zu einem Vektor c zusammen, der die Richtung der Halbierenden 2 des Winkels zwischen ihren Anfangslagen hat, während seine Länge im Rhythmus der Frequenz η schwankt. Fällt diese Winkelhalbierende w auf den Vektor c₂, so äußert sich die Modulation in einer rein sinusförmigen Schwankung der Amplitude des Vektors c₂ zwischen den beiden Grenzamplituden C₂ -f~ ^i ~h *3 ^lm<^ ^C2 Ct — ^CS'

Dies ist der Fall bei der sinusförmig modulierten Welle, die dem Übertragungssystem am Anfang aufgedrückt wird.

Bildet jedoch die Winkelhalbierende w einen Winkel mit der Richtung C₂, so erreicht zwar der Summenvektor c immer noch den Maximalwert C₁ + c_s, jedoch ändert der Summenvektor 5 aller drei Teilschwingungen seine Länge zwischen einem kleineren Maximalwert und einem größeren Minimalwert (Abb. 2).

In dem zeitlichen Bild des Frequenzgemischesj wie es wiederum in einem Oszillographen aufgenommen werden könnte, erscheint also die Amplitude der Berandungskurve am Ende des Übertragungssystems gegenüber der Amplitude der Berandungskurve am Anfang des Übertragungssystems verkleinert, auch wenn die Amplituden der drei Teilschwingungen für sich im gleichen Verhältnis übertragen (gedämpft oder verstärkt) werden. Diese relative Verminderung der Amplitude der Berandungskurve wirkt so, als ob die Trägerwelle von vornherein weniger ausgesteuert wäre wie tatsächlich der Fall ist und macht sich daher in derselben Weise bemerkbar wie eine Vergrößerung der Dämpfung zwischen dem niederfrequenten Modulationsorgan (z. B. Mikrophon) und dem niederfrequenten Empfänger (z. B. Telephon). Da diese Erscheinung aber in Wirklichkeit nicht von der Dämpfung, sondern von der Phasenverschiebung im Übertragungssystem abhängt, wurde sie als schein- So bare Dämpfung bezeichnet.

In Abb. 3 ist z. B. der Verlauf der scheinbaren Dämpfung l· in Neper als Funktion der Niederfrequenzen w dargestellt, die mit der Trägerkreisfrequenz h = 8000 über ein stark pupinisiertes Fernsprechkabel von 500 km Länge übertragen werden. Bei den drei durch die gestrichelten Senkrechten bezeichneten Frequenzen werden die Grundwellen ausgelöscht. .

Aus dem Diagramm der Abb. 2 läßt sich weiterhin ersehen, daß die Berandungskurve verzerrt wird. Wenn der Vektor c über den Nullpunkt P hinaus schwankt, der dem An- r f angspunkt 0 am nächsten liegt, geht die Amplitude des Vektors .? durch ein Minimum s_m. Hieraus folgt, daß die Berandungskurve Oberwellen bekommt und nicht mehr sinusförmig ist. Wenn w' senkrecht zu c₂ steht, enthält die Berandungskurve die Frequenz κ ioo überhaupt nicht mehr, sondern nur noch höhere Harmonische. Die zu übertragende Signalfrequenz» ist dann völlig ausgelöscht. Gemäß der Erfindung können diese Störungen beseitigt werden, wenn man dafür sorgt, daß die Halbierende w oder tsf des durch a_% — a₂ und a_± — a₂ bestimmten Winkels in die Richtung von C₂ fällt. Man hat demnach nur diese beiden Differenzen gleich zu machen. Dies kann in ähnlicher Weise wie bei der sogenannten Phasenentzerrung zur Beseitigung der Einschwingvorgänge durch verschieden große Erhöhung der Phasenwinkel bei den verschiedenen Frequenzen im betrachteten Frequenzbereich geschehen. Jedoch sind die Bedingungen anders als bei der Beseitigung der Einschwingvorgänge. In diesem Falle kam es darauf an, den Phasenwinkel a zu einer linearen Funktion der Kreisfrequenz w zu machen, wodurch die Laufzeiten t für die betreffenden Frequenzen, die näherungsweise durch den

Differentialquotienten des Phasenwinkels nach der Zeit gegeben sind, nahezu konstant werden.

Für den Zweck der Erfindung genügt es, daß die Phasenwinkeldifferenzen a_a — a„ und a„ — Gt₁ in dem benutzten Frequenzbereich gleich gemacht werden.

Stellt z. B. die Kurve ι in Abb. 4 die Abhängigkeit des Phasenwinkels im Trägerfrequenzteil des Übertragungssystems von der Kreisfrequenz tv dar, so hat man für die Frequenzen h — n, h und h + η die durch die Ordinaten der Punktet, C, E gegebenen Phasenwinkel. Hierbei sind die Strecken A-B und D-E ungleich groß. Man kann aber die Phasenwinkel so vergrößern, daß die gestrichelte Kurve 2 entsteht, bei der die Differenzen der Ordinaten der Punkte C" und B' und der Punkte E' und C gleich sind. Ist dies der Fall für alle Frequenzen zwischen den Grenzen h — W₁ und h + W₁, so verschwinden bei der Übertragung aller Niederfrequenzen zwischen Null und W₁ mit Hilfe der Trägerfrequenz h die erwähnten Störungen.

Die Kurve 2 ist in dem betrachteten Frequenzbereich symmetrisch zum Punkt C. Dies ist ein einfacher Ausdruck für die von der Erfindung geforderte Frequenzabhängigkeit des Phasenwinkels.

Zum Unterschied vom Phasenausgleich zur Beseitigung der Einschwingvorgänge ist es nicht nötig, daß die Kurve 2 einer geraden Linie möglichst nahe kommt. Um einen Phasenausgleich zu erzielen, hätte man z. B. die strichpunktierte Kurve 3 herzustellen, die einer Geraden sehr nahe kommt und somit sowohl die Bedingung für die Beseitigung der Einschwingvorgänge erfüllt, als die gemäß der Erfindung erforderliche Symmetrie zeigt. Die Herstellung der Kurve 2 wird jedoch mit geringerem Aufwand erfolgen können als die der Kurve 3. Zur Erläuterung ist die Abb. 5 gezeichnet worden, die für die drei Phasenkurven der Abb. 4 die Laufzeiten t angibt. Da die Laufzeiten praktisch durch dajdw gegeben sind, kommt es darauf an, die Laufzeiten — Kurve ι des ursprünglichen Übertragungssystems so zu verändern, daß sie symmetrisch zu der Ordinatengeraden für die Trägerfrequenz h ist.

Dies ist bei der Kurve 2 der Fall, die etwa den Differentialquotienten der Kurve 2 von Abb. 4 darstellt. Kurve 3 gibt die Laufzeiten für die Kurve 3 von Abb. 4 an. In diesem Fall sind für den in Frage kommenden Frequenzbereich die Laufzeiten praktisch konstant. Nun entspricht bekanntlich der Aufwand für die Phasenausgleichmittel dem Flächeninhalt zwischen der ursprünglichen und der verschobenen Laufzeitenkurve, d. h. der Aufwand zur Herstellung der Kurve 2 entspricht dem von links oben nach rechts unten schraffierten und der Aufwand zur Herstellung der Kurve 3 aus Kurve 2 dem von links unten nach rechts oben schraffierten Flächenteil in Abb. 5. Man ersieht daraus, daß die Herstellung der Kurve 2 mit geringerem Aufwand möglich ist als die der Kurve 3.

Will man nicht nur die hier beschriebenen Störungen beseitigen, sondern auch die Einschwingvorgänge verkürzen, so empfiehlt es sich, zunächst eine symmetrische Kurve (entsprechend den Kurven 2) durch Phasenverschiebungen im Trägerfrequenzteil des Systems herzustellen und die weitere Phasenergänzung durch Phasenverschiebungen in Niederfrequenzteilen des Übertragungssystems zu bewerkstelligen. Dies ist möglich und vorteilhaft, weil, wie man aus Abb. 5 ersieht, beide Seitenbandfrequenzen in diesem Fall die gleichen zeitlichen Verzögerungen erhalten müssen, was man durch Verzögerung der Niederfrequenz vor oder nach der Modulation mit einfacheren Mitteln erzielen kann.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   ι. Trägerfrequenzübertragungssystem mit Phasenausgleich, dadurch gekennzeichnet, daß im Trägerfrequenzteil des Systems phasenverschiebende Netzwerke angeordnet sind, die die Phasenwinkel derart ergänzen, daß gleichweit ober- und unterhalb der Trägerfrequenz liegende Frcquenzen entgegengesetzt gleiche Phasenverschiebung gegenüber der Trägerfrequenz aufweisen.
2. 2. Übertragungssystem nach Anspruch i, gekennzeichnet durch weitere phasenverschiebende Mittel in einem oder mehreren Niederfrequenzteilen des Übertragungssystems, die die Laufzeiten bis auf praktisch gleichen Betrag vergrößern.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen