DE820903C - Mehrfachtraeger-UEbertragungssystem - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Trägerfrequenzübertragungssysteme
und insbesondere auf Systeme, die zur Frequenzteilungsvervielfacherklasse
gehören.
Das Hauptziel der Erfindung besteht darin, das Auftreten derjenigen Bedingungen zu verringern,
unter welchen zwischen benachbarten Trägern Phasenübereinstimmung oder angenäherte Phasenübereinstimmung
besteht.
Ein damit zusammenhängendes Ziel der Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit zu schaffen, um die
Leistungskapazität von Breitbandträgerfrequenzverstärkern wesentlich zu verringern, welche eine Mehrzahl
nebeneinanderliegender Kanäle verstärken oder in anderer Weise umsetzen.
Ein anderes verwandtes Ziel besteht darin, die Erfordernisse hinsichtlich Isolation oder Trennung
zwischen physikalisch benachbarten Übertragungswegen zu mildern.
Ein anderes, damit in Zusammenhang stehendes Ziel besteht in der Ermöglichung eines engeren Abstandes
zwischen benachbarten Trägern, als es bisher möglich gewesen ist, ohne Gefahr zu laufen, daß
ernste Spitzenstörungen auftreten. Ein weiteres Ziel besteht in der Erzeugung einer Gruppe benachbarter
Träger, die auf der Frequenzskala gleichen Abstand haben, und deren Amplituden der Hauptsache nach
gleichmäßig sind.
In Frequenzteilungsübertragungssystemen ist es üblich, eine Gruppe benachbarter Träger zu erzeugen
als Harmonische oder Bruchteile von einer gemeinsamen Grundschwingung. Das hat den Vorteil, daß
die Frequenzen der einzelnen Träger und ihr Abstand auf der Frequenzskala rasch kontrollierbar sind.
Andererseits hat jede solche bestimmte Frequenzbeziehung zwischen den Trägern zur Folge, daß
zwischen ihnen periodisch eine Phasenbeziehung wiederkehrt; und wenn in irgendeinem Augenblick die
Bedingung so ist, daß die Spannungen einer Anzahl der Träger in ihrer Phase der Hauptsache nach zusammentreffen,
dann kehrt diese Bedingung bei jeder
ίο vollen Schwingung der Grundfrequenz wieder, von
welcher die verschiedenen Träger Harmonische sind; und jedesmal, wenn das der Fall ist, ist die gesamte
Trägerspannung in dem Gerät, das die gemeinsame Übertragung besorgt, das iV-fache derjenigen jedes
einzelnen Trägers, wobei N die Anzahl der Träger bedeutet, d. h. viele Male so groß wie das quadratische
Mittel. Eben deshalb ist die entsprechende Leistung das iV2-fache der Leistung eines einzelnen Trägers.
Derartige Bedingungen machen es erforderlich, das
Gerät für die gemeinsame Übertragung zu befähigen, die Spannungsabweichung und die Leistungen, welche
während der Phasenübereinstimmung auftreten, zu bewältigen, und zwar ebenso gut wie die viel kleinere
Spannung und Leistung, welche zu anderen Zeiten auftreten. Eine Spannungsspitze, welche das Fassungsvermögen
eines Apparats für die gemeinsame Übertragung überschreitet, bewirkt Kreuzmodelung
und hat dadurch Zwischenkanalstörungen zur Folge. Selbst in einem System, welches für die verzerrungs-
freie Übertragung einer hohen Spitzenspannung bemessen ist, kann die Anwesenheit einer solchen Spitze
noch unangenehme Störungen in anderen Übertragungssystemen hervorrufen, die in dem gleichen Frequenzbereich
über angeblich unabhängige Kreise betrieben werden, die nichtsdestoweniger in enger physikalischer
Nachbarschaft liegen, da eine geringe induktive oder kapazitive Kopplung zwischen diesen Kreisen
sie einem linearen Übersprechen der Spitzenamplitude aussetzt, welches unmittelbar der Spitzenspannung
der Mehrfachkanalträgerwelle proportional ist. Der Ausdruck Störung soll im Sinne dieser Beschreibung
Störungen umfassen, die entweder durch Kreuzmodelung oder durch lineares Übersprechen hervorgerufen
werden, und der Ausdruck Spitzenstörung wird dann den Wert solcher Störungen bezeichnen,
welcher auftritt, wenn die Mehrfachkanalträgerwelle ihre Spitze erreicht. Die Verringerung der Größe
der Mehrfachkanalspitzenspannung hat eine Verringerung der Spitzenstörung zur Folge.
Ein System, mit welchem angestrebt wurde, diese Schwierigkeit durch Einzeleinstellung der Phasen der
verschiedenen Träger, so daß· sie niemals in Phasenübereinstimmung
kommen, zu umgehen, ist bereits bekannt. Mit einem solchen System werden wesentliehe
Energiegewinne erzielt mit einer verhältnismäßig einfachen Abweichung von der genauen Phasenübereinstimmung
zwischen allen Trägern, z. B. durch Umkehr der Phasenrichtung irgendeines derselben.
Mit jeder weiteren Einstellung wird es aber zunehmend schwieriger, zu bestimmen, ob die nächste Einstellung
die Ergebnisse verbessern oder verschlechtern wird. Daher besteht die bevorzugte Phaseneinstellung des
vorbekannten Systems einfach darin, daß die Phasen der verschiedenen Träger so weit wie möglich von
j der systematischen Anordnung abweichen, bei welcher j volle Phasenübereinstimmung regelmäßig wiederkehrt.
j Eine solche Phasenverteilung wird in Verbindung mit j den vorbekannten Systemen willkürlich genannt.
Die vorliegende Erfindung nähert sich dem Problem auf eine andere Weise. Anstatt zuerst die Frequenzen
zuzuteilen und danach die Phaseneinstellung anzustreben, beginnt die Erfindung bereits mit der Erzeugung
einer Gesamtspannungswellenform, deren Spektralkomponenten von Natur aus in solchen
Phasenbeziehungen zueinander stehen, daß Spitzen-Störungen minimal ausfallen; die Erfindung benutzt
dann jede dieser getrennten Spektralkomponenten als einen getrennten Signalträger. Die Hauptschwierigkeit
ist somit in einer mühelosen Weise behoben. Der Abstand zwischen diesen Trägern wird dann
getrennt und unabhängig eingestellt, wie das erwünscht sein mag. Die Ziele der Erfindung werden kurz in
der folgenden Weise verwirklicht: Ein zentraler Hochfrequenzträger,
der Sinusform haben mag, wird zuerst mittels einer Schwingung von niedrigerer Frequenz
und von solcher Schwingungsform frequenzmoduliert, daß die resultierende, frequenzmodulierte Schwingung
konstante Amplitude und eine Frequenz aufweist, welche sich linear mit der Zeit über jede volle Schwingung
der Modulierwelle verändert und danach im wesentlichen momentan auf ihren Anfangswert zurückkehrt.
Da die Hüllkurve einer solchen Schwingung konstante Amplitude hat, ist leicht ersichtlich, daß
jeder Satz von Komponenten, in welche die Schwingung aufgelöst werden mag, solche Phasenbeziehungen
aufweist, daß bei ihrer Zusammenfügung extreme Abweichungen von solcher Art, daß Zwischenträgerstörungen
verursacht werden können, niemals auftreten. Mit anderen Worten: Das Verhältnis der
Spitzenspannung zum quadratischen Mittel ist \'z ;
ein kleineres Verhältnis ist nicht möglich.
Es kann nun vorkommen, daß das Fourierspektrum
dieser Welle einen Satz von Komponenten umfaßt, welcher, wenn ihre Zahl groß ist, gleichmäßig um den
zentralen Träger verteilt sind und Amplituden haben, die der Hauptsache nach gleich sind bis zu einem
bestimmten Punkt auf der Frequenzskala, oberhalb welcher sie rasch verschwinden. Der Punkt auf der
Frequenzskala, welcher das Spektrum in zwei Teile teilt, deren erster eine Anzahl von nahezu gleichen
Komponenten und deren zweiter nur Komponenten von zunehmend kleineren Amplituden enthält, wird
bequemerweise als der Punkt genommen, bei welchem die Endkomponenten der Reihe beiderseits des zentralen
Trägers halb so groß sind wie die Amplitude des zentralen Trägers. Bis zu diesem Punkt ist die
Spektrumhüllkurve der Hauptsache nach rechtwinklig. Die verschiedenen Komponenten innerhalb des im
wesentlichen rechtwinkligen Teils der Spektrumhüllkurve können nunmehr aus der frequenzmodulierten
Schwingung mittels einer Gruppe von Bandfiltern ausgewählt werden, worauf sie als selbständige, gleichmäßig
verteilte und gleich große Amplitude aufweisende Träger behandelt werden können. Auf die
Träger kann man getrennte Signale mit Hilfe üblicher Mittel aufmodulieren, und die verschiedenen,
so modulierten Träger können über ein gemeinsames Mittel übertragen werden, ohne daß die Gefahr
ernster Verzerrung infolge Zwischenspitzenstörung besteht.
Die Spektrumkomponenten innerhalb des im wesentlichen rechtwinkligen Teils des Spektrums haben
genau gleiche Amplituden nur in dem Idealfall, wo sie in sehr großer Zahl vorhanden sind. In einem mehr
praktischen Fall, wobei die Zahl solcher Komponenten
ίο in der Größenordnung von io bis ioo liegt, können
einzelne harmonische Komponenten innerhalb dieses Teils der Hüllkurve um einige Dezibel abweichen.
Des weiteren hat die mittels der Bandfilter bewirkte Ausschaltung der sich verjüngenden Folge von Spektrumkomponenten,
welche außerhalb des im wesentlichen rechtwinkligen Teils der Hüllkurve liegt, die
Tendenz, die entsprechende, frequenzmodulierte Welle zu verändern, indem sie bewirkt, daß dieselbe eine
geringe Amplitudenmodulation zusätzlich zu der erwünschten Frequenzmodulation erhält und so die
erzielten, praktischen Ergebnisse unter den Idealwert zurückführt. Diese Minderung jedoch ist nicht so
groß, daß sie als ernst anzusehen wäre.
Ein Weg, um die frequenzmodulierte Schwingung von gleichförmiger Frequenzänderung über die ganze
Schwingung zu erzeugen, besteht darin, selbständig eine Spannung von Kippschwingungsform zu erzeugen
und wie ein Moduliersignal an einen Frequenzmodulator anzulegen, dessen Charakteristik linear ist.
Wenn ein Frequenzmodulator mit nicht linearer Charakteristik vorgezogen wird, so kann die modulierende
Spannung durch Vorverzerrung von der Kippschwingungsform abweichen, um die Abweichung
der Modulatorcharakteristik von der Linearität zu kompensieren.
Der zentrale Hochfrequenzträger kann selbst eine nicht sinusförmige Schwingung mit im wesentlichen
harmonischen Komponenten sein, in welchem Falle bei linearer Charakteristik des Modulators getrennte
spektrale Komponentengruppen gebildet werden. Die erste Gruppe, die um die Grundfrequenz des zentralen
Trägers liegt, ist so wie es eben beschrieben wurde. Die nächste Gruppe ist ähnlich, aber sie ist der
zweiten Harmonischen des Trägers zugeordnet. Die dritte Gruppe ist wiederum ähnlich, aber sie ist auf
die dritte Harmonische des Trägers eingestellt. Diese verschiedenen Komponentengruppen können auf der
Frequenzskala weit auseinander gehalten werden, oder sie können im wesentlichen aneinanderliegen,
wenn das gewünscht ist, was durch geeignete Einstellung des Modulatorindex oder der Frequenzpendelung
der frequenzmodulierten Schwingung und der Frequenz der Modulationsschwingung geschehen
kann.
Die Erfindung ist vollständig aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung zu verstehen, die
sich auf eine bevorzugte Ausführungsform bezieht, und zwar in Verbindung mit der Zeichnung. In der
Zeichnung zeigt
Fig. ι ein schematisches Blockschaltbild einer Form
der der Erfindung entsprechenden Übertragungseinrichtung,
Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer alternativen Einrichtung, die an die Stelle des im Gehäuse II der Fig. r liegenden Teils treten kann,
Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer alternativen Einrichtung, die an die Stelle des im Gehäuse II der Fig. r liegenden Teils treten kann,
Fig. 3 eine Gruppe von Schaubildern der verschiedenen Schwingungsformen, die die Erläuterung der
Erfindung erleichtern sollen,
Fig. 4 ein Schaubild der Amplituden eines Satzes von hundert harmonisch zusammengehörigen Trägerwellen,
die in Übereinstimmung mit einer Form der Erfindung erzeugt sind,
Fig. 5 ein Erläuterungsschaubild einer Mehrzahl getrennter, aber miteinander verwandter Spektren,
von denen jedes dem Spektrum nach Fig. 4 ähnlich ist und die in Übereinstimmung mit einer anderen
Form der Erfindung erzeugt sind.
Nach Fig. 1 speist der Schwingungserzeuger 1 mit
einer Schwingung von der Frequenz f0 den Frequenzmodulator
2. Die Frequenz f0 wird in der Mitte der Hauptgruppe der gewünschten Trägerfrequenzen gewählt.
Der Frequenzmodulator 2 kann in mannigfacher Art ausgeführt sein, beispielsweise als Phasenmodulator
mit integrierendem Kreis in der Signalabzweigung zur Umwandlung von Phasen- auf Frequenzmodulation und einer Folge von Strombegrenzern
und Frequenzvervielfachern in dem Ausgang, um die Frequenzänderung zu beschleunigen.
An dem Modulationseingang des Frequenzmodulators 2 ist eine Kippspannung von Sägezahnwellenform und
von der Frequenz ft gelegt.
Die Kippspannung wird von einem üblichen Kippspannungserzeuger 3 geliefert. An Stelle voneinander
getrennter Schwingungserzeuger und Frequenzmodulatoren kann ein frequenzmodulierter Schwingungserzeuger
verwendet werden, wie z. B. in Fig. 2 angegeben; es ist hierin gezeigt, daß die Kippspannung
des Generators 3 vermittels eines Übertragers an die Anode 4 einer Oszillatorröhre angelegt ist. Somit
kann die Einrichtung nach Fig. 2 an die Stelle der Elemente in dem Gehäuse II der Fig. 1 treten. In
beiden Fällen erscheint die gewünschte frequenzmodulierte Schwingung an der Ausgangsleitung 5.
Am Ausgang des Frequenzmodulators 2 nach Fig. ι oder des frequenzmodulierten Schwingungserzeugers
nach Fig. 2 erhält man eine frequenzmodulierte Schwingung, deren mittlere Frequenz f0
ist und die eine im wesentlichen konstante Amplitude aufweist. Die Schwingung ist zusammen mit ihrem
Spektrum in Fig. 1 roh eingezeichnet. Sie ist an eine Gruppe von Bandfiltern 6, 7 usw. angelegt, deren
Eingangskreise parallel zueinander liegen. Diese Filter sind so eingestellt, daß ihre zugehörigen Durchlaßbereiche
um die Frequenz/\ voneinander abweichen.
Jedes Filter trennt eine besondere Frequenzkomponente ab für den Träger des entsprechenden Kanals
eines üblichen Mehrfachträger-Übertragungssystems. Das Filter 6 entnimmt eine Frequenzkomponente
f0 -f- Mf1, das Filter 7 eine Frequenzkomponente
f0 + (n—1) f1 usw. nach unten bis zum letzten Filter iao
der Filtergruppe, welches eine Frequenzkomponente f0 —nfi abscheidet; das ergibt eine Gesamtheit von
2 η +1 getrennter Träger, deren Frequenzen um gleiche Beträge voneinander abweichen und deren
Amplituden wenigstens nominell gleich sind. Diese Träger werden einzeln in üblichen Amplituden-
modulatoren 8, 9 usw. moduliert, und zwar mittels einzelner Signalgeneratoren S1, S2 usw. Die in dieser
Weise mittels der Signale modulierten Träger können nunmehr für die Übertragung über ein gemeinsames
.Übertragungsmittel zusammengefaßt werden, welches Verstärker 11,12 usw. umfassen kann. Zur Darstellung
dieser Kombination sind die Ausgänge der Modulatoren 8, 9 in parallelem Anschluß an einen
gemeinsamen Leiter 10 gezeigt. Ein Empfänger 13 kann eine übliche Ausstattung aufweisen, um die
Kanäle unter Frequenztrennschärfe voneinander zu scheiden.und die verschiedenen Signale aufzunehmen
und wiederzugeben.
In Fig. 3 zeigt die Kurve A die von dem Schwingungserzeuger
1 nach Fig. 1 gelieferte Schwingung für den Fall einer konstanten Frequenz f0. Kurve B
zeigt die Spannung oder den Strom, der von dem Kippschwingungsgenerator 3 geliefert wird, und zwar
als Funktion der Zeit. Kurve C zeigt die entsprechende Frequenzänderung in dem Ausgang des Frequenzmodulators
2, und Kurve D veranschaulicht die resultierende Schwingungsform vom Modulator 2 als
eine Funktion der Zeit. Die Schaubilder sind gezeichnet für eine lineare Änderung der Frequenz mit der
Spannung und eine Kippmodulationsschwingung, welche linear ist, mit der Zeit. Nichtlineare Änderungen
einer Größe können durch eine komplementäre, nichtlineare Änderung in der anderen kompensiert
werden.
Die Schwingung, welche für die Erläuterung der Erfindung gewählt worden ist, ist eine, bei welcher,
wie in Kurve D der Fig. 3 gezeigt ist, die Frequenz sich linear in einer Aufwärtsrichtung verändert und
durch die zentrale Frequenz f0 von einem unteren
Wert zu einem höheren Wert über eine Periode —
'1
verläuft; dann kehrt die Schwingung plötzlich zu dem
unteren Wert zurück und durchläuft erneut die Veränderung, während ihre Amplitude konstant bleibt.
Eine Frequenzänderung, die linear nach abwärts verläuft, ist gleich gut dienlich. Es kann mathematisch
nachgewiesen werden, daß das Spektrum einer solchen Schwingung aus einer großen Zahl von Komponenten
besteht, welche symmetrisch um die zentrale Frequenz
♦5 f0 verteilt sind, und daß eine besondere Gruppe dieser
Komponenten, deren Zahl 2»+i beträgt und die die Komponenten im Bereich f0 —nft bis fo+nfi
umfassen, angenähert gleichmäßige Amplituden aufweisen, wobei sämtliche Amplituden gleich oder
größer als die Hälfte der Amplitude der zentralen Komponente der Gruppe sind, während alle anderen
Komponenten, die außerhalb dieses Bereichs liegen, kleiner als die Hälfte der Amplitude der zentralen
Komponente sind, wobei die meisten derselben sogar wesentlich kleiner ausfallen. Die Anzahl η der
Komponenten, die in jeder Hälfte dieses Spektrums zwischen der mittleren Frequenz f0 und der kleineren
Halbamplitudenfrequenz f0 —nfx oder der oberen
Halbamplitudenfrequenz f0+Hf1 liegt, ergibt sich aus
Δ/
2 h
wobei Δ / den Betrag der gesamten Frequenzänderung
vom tiefsten bis zum höchsten Wert und fi die Häufigkeit, mit welcher die Frequenzänderung sich
wiederholt, bezeichnen. Die Kipperiode — und "*
die Frequenzänderung &f sind in den Kurven der
Fig. 3 angegeben, wobei die resultierende Schwingungsform in der Kurve D veranschaulicht ist. Es kann
weiterhin mathematisch nachgewiesen werden, daß die Amplituden der Komponenten in dem Bereich
f0 —nfx bis fo + nfi im wesentlichen umgekehrt proportional
der Quadratwurzel ihrer Zahl sind, nämlich
yzn +
Die Sachlage ist in dem Spektrumbild der Fig. 4 veranschaulicht, und zwar für den Fall bei «=49.
In nichtmathematischen Ausdrücken kann die Verbesserung,
die mit der Erfindung geschaffen ist, so verstanden werden, daß sie sich aus der Tatsache
ergibt, daß bei der Frequenzänderung der Erfindung, wie sie in Kurve D der Fig. 3 angegeben ist, die
momentane Frequenz des Modulators 2 gleiche Teile
der gesamten Kipgschwingungsperiode — verbraucht,
bei allen Frequenzen in dem Kippschwingungsbereich. Wenn dieser Bereich so gewählt ist, daß er von
f0 —Hf1 bis fo-\-nf1 sich erstreckt, so verbraucht die
momentane Frequenz gleich große Zeitbeträge bei allen diesen Frequenzen; auf diese Weise wird jedem
der einzelnen Filter, welche auf diese Frequenzen abgestimmt sind, eine gleich große Energiemenge zugeführt.
Andererseits benötigt die Augenblicksfrequenz überhaupt keine Zeit bei Frequenzen, die außerhalb
dieses Bereichs liegen, weshalb die Spektrumkomponenten außerhalb dieses Bereichs geringen Energiegehalt
aufweisen. Wenn nur jene Komponenten (Fig. 4) der frequenzmodulierten Schwingung (Kurve D
der Fig. 3), welche zwischen den Frequenzgrenzen f0 —nfx und /Ό+W^1 liegen, d.h. in dem Teil des
Spektrums (Fig. 4),-dessen Hüllkurve im wesentlichen rechtwinklig ist, als Träger verwendet und nach der
Signalmodulation zusammen einem gemeinsamen Übertragungsmittel zugeführt werden, so weicht die
resultierende Schwingung an dem gemeinsamen Übertragungsmittel in gewissem Maße von der reinen
frequenzmodulierten Schwingung gemäß Kurve D der Fig. 3 ab. Da aber bei weitem der größte Teil der
Energie der Originalschwingung und ihres ganzen Spektrums in dem rechtwinkligen Hüllkurventeil des
Spektrums enthalten ist und demgemäß auch in der austretenden Schwingung, so sind die Abweichungen
nicht groß. Das praktische Ergebnis ist daher, daß die Spitzeninterferenz zwischen benachbarten Trägern
durch die vorliegende Erfindung auf einen Punkt zurückgeführt ist, wo sie in keiner Weise bedenklich
ist.
Wenn der Schwingungserzeuger 1 nach Fig. 1
selbst ein Kippschwingungserzeuger von der Wiederholungsfrequenz f0 ist, an Stelle eines Erzeugers für
sinusförmige Schwingungen, so erhält das Spektrum des Ausgangs des Frequenzmodulators 2 das in Fig. 5
veranschaulichte Aussehen. Die Grundfrequenz f0 und jede Harmonische 2 f0, 3 f0 usw. bilden die Mitten
von einzelnen Gruppen benachbarter Komponenten.
Claims (2)
1. Mehrfachträger-Übertragungssystem mit einer Anordnung zur Erzeugung der Trägerfrequenzen,
die durch gegenseitige Modulation einer Hochfrequenzschwingung und einer Schwingung niedriger
Frequenz gewonnen sind, gekennzeichnet durch Mittel, um eine Hochfrequenzschwingung mit
einer Kippschwingung niedriger Frequenz in der Frequenz zu modulieren und aus dem erhaltenen
Frequenzgemisch die gewünschten Trägerwellen durch Verwendung geeigneter Frequenzunterscheidungsmittel
auszusieben, auf welche mit Hilfe von den einzelnen Trägerwellen zugeordneten Signalmodulatoren
die zu übertragenden Signale aufmoduliert werden.
2. Mehrfachträger-Übertragungssystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß auch als
Hochfrequenzschwingung eine Kippschwingung benutzt ist.
Angezogene Druckschriften:
Ulbig, Fritz, Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, Leipzig 1944, Bd. II, S. 226/27, Abb. 332.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
2169 U. 5i
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