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Einrichtung zur Frequenzumsetzung Soll eine elektrische Schwingung
von bestimmter Frequenz in eine solche anderer Frequenz umgewandelt werden, so wird
dies in bekannten Einrichtungen verwirklicht durch Überlagerung der umzusetzenden
Schwingung mit einer Hilfsschwingung, woraus eine neue Schwingung von gewünschter
Frequenz resultiert.
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Eine derartige Frequenzumsetzung kommt beispielsweise in den bekannten
Überlagerungsempfängern zur Anwendung. Ein im Empfänger eingebauter Oszillator erzeugt
die notwendige Hilfsschwingung, wobei entweder diese Hilfsschwingung selbst oder
eine passende Oberwelle derselben zur Überlagerung benutzt wird. Ein solcher Empfänger
hat aber den Nachteil, daß eventuelle Schwankungen der Trägerfrequenz eines zu empfangenden
Signals vom Hilfsoszillator, der ja unabhängig von den Senderschwingungen arbeitet,
nicht kompensiert werden, so daß das Zwischenfrequenzband wenigstens teilweise außerhalb
des Frequenzbereiches des Zwischenfrequen.zverstärkers von üblicher Bandbreite zu
liegen kommt.
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Es ist auch bekannt, in Richtstrahlrelaisstationen für Ultrakurzwellen
mit mindestens einmaliger Frequenzumsetzung zu arbeiten. Diese Richtstrahlrelaisstationen
dienen dazu, die Verbindung zwischen einem Sendeort und einem mit diesem nicht in
Sichtverbindung stehenden Empfangsort zu ermöglichen. Die von der Relaisstation
aufgefangene Schwingung wird in ihrer Frequenz umgewandelt und dann neuerdings
ausgestrahlt.
Eine Frequenzumsetzung. ist dabei notwendig, um Rückkopplungen zwischen Sende- und
Empfangsantenne zu vermeiden.
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Es ist bekannt, die notwendigen Hilfsschwingungen in den Relaisstationen
mittels möglichst frequenzstabiler Oszillatoren, beispielsweise Quarzoszillatoren,
zu erzeugen. Eine solche Einrichtung hat aber den Nachteil, daß auch kleine Frequenzabweichungen
des Hilfsoszillators zu entsprechenden Frequenzabweichungen der von der Relaisstation
ausgesandten Schwingung führen, wobei sich diese Fehler speziell bei Relaisketten
mit mehreren Relaisstationen addieren können, wodurch am Ende des Übertragungsweges
unzulässig große Frequenzabweichungen auftreten können.
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Zudem wird der Aufwand, der durch die beispielsweise quarzgesteuerten
Hilfsoszillatoren bedingt ist, bei einem Übertragungsweg mit vielen Relaisstationen,
die z. B. in gebirgigen Gegenden nicht zu vermeiden sind, unangenehm groß.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, welche die vorerwähnten Nachteile
vermeidet und die Verwendung von quarzgesteuerten Hilfsoszillatoren erübrigt. Erfindungsgemäß
handelt es sich um eine Einrichtung zur mindestens einmaligen Frequenzumsetzung
einer elektrischen Schwingung innerhalb eines Teilstückes eines Übertragungsweges
durch Überlagerung der umzusetzenden Schwingung mit einer in einem Nebenkreis durch
einen Hilfsoszillator angeregten Schwingung, wobei ein Frequenzvergleichskreis dauernd
die Abweichung der Frequenz einer im Nebenkreis auftretenden Schwingung gegenüber
der Frequenz einer im Übertragungsweg vorkommenden Schwingung feststellt, und eine
dieser Frequenzabweichung entsprechende Regelspannung erzeugt, welche zur Stabilisierung
der Frequenz der Hilfsoszillatorschwingung dient.
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Die Erfindung sei an Hand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der
Zeichnungen erläutert.
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Fig. i bis 4 zeigen Beispiele von erfindungsgemäßen Schaltungen der
an und für sich bekannten Schaltelemente Fig. 5 gibt ein detailliertes Schaltbild
des in Fig. 3 festgehaltenen Erfindungsbeispiels wieder; Fig. 6 zeigt Detailschaltungen
von in Fig. 2 und 4 verwendeten Schaltelementen.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. i ist die Anlage einer
Richtstrahlrelaisstation wiedergegeben. Der Vorverstärker R, die Überlagerungsstufe
Ml, der Zwischenfrequenzverstärker 2F, die Überlagerungsstufe M2 sowie der Sendeverstärker
T bilden ein Teilstück des ganzen Übertragungsweges. Die durch den Vorverstärker
R verstärkte Spannung e1 der Empfangsschwingung (unter allen im folgenden mit e1
bezeichneten Schwingungen ist stets eine Wechselspannung der Frequenz f1 zu verstehen)
wird in der Überlagerungsstufe Ml mit einer Hilfsschwingung es überlagert, wodurch
eine Zwischenfrequenzschwingung e2 entsteht, welche nach Verstärkung im Zwischenfrequenzverstärker
ZF mit eifiter weiteren Hilfsschwingung e7 in der Überlagerungsstufe M2 überlagert
wird, woraus die endgültige Sendeschwingung e3 entsteht, welche auf den Sendeverstärker
T gelangt. Die Frequenz der von dem Hilfsoszillator H erzeugten Schwingung e4 wird
einerseits in dem FrequenzvervielfacherQl um den Faktor n, und andererseits in dem
Frequenzvervielfacher Q2 um den Faktor n2 vervielfacht, so daß die Hilfsschwingungen
es bzw. e7 entstehen. Ein Frequenzvervielfacher Qo vervielfacht die Frequenz der
Hilfsschwingung e4 um den Faktor n, derart, daß eine Hilfsschwingung e,, entsteht,
deren Frequenz mit derjenigen der Empfangsschwingung e1 annähernd übereinstimmt.
Die Frequenzen der beiden Schwingungen e1 und e,, werden in einem Frequenzvergleichskreis
S (s. Beschreibung zu Fig. 5) verglichen, wobei dieser eine der Frequenzdifferenz
der Schwingungen e1 und es entsprechende Regelspannung« erzeugt, die dazu dient,
die Frequenz der Schwingung e4 des Hilfsoszillators und damit auch die durch Vervielfachung
daraus gewonnenen Frequenzen der Schwingungen es und e7 konstant zu halten..
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Bezeichnet man die Frequenzen der Schwingungen e1, e2... e7 mit f1,
f2. . . f7, so lassen sich die folgenden Beziehungen formulieren: f,
= no - f4; f6 = n1 ' f4; f7 = n2 - f4; woraus sich nach
Abgleichung von f5 mit f1 ergibt: f3 = fl ± f6 ± f7 =
. fi. Es steht also die Sendefrequenz f3 zur Empfangsfrequenz f1 in einem ganzzahligen
Verhältnis, da ja die Vervielfachungsfaktoren no, n1, ia, selbst ganzzahlig sind.
Es ist somit möglich, das Frequenzverhältnis von Empfangs- und Sendefrequenz dem
Faktor i soweit zu nähern, daß keine Rückkopplungserscheinungen auftreten, ohne
dabei mit unbequemen Vervielfachungsfaktoren arbeiten zu müssen. Setzt man beispielsweise
für die Faktoren no = 4, yal = 2 und n2 = 3, so ergibt sich ein Frequenzverhältnis
ß : f1 = 5 : 4, vorausgesetzt, daß von der Überlagerungsstufe Ml die
Differenzfrequenz f1- f6 dem Zwischenfrequenzverstärker und von der Überlagerungsstufe
M2 die Summenfrequenz f2 -[- f7 dem Sendeverstärker T zugeführt wird. Die
dauernde Kontrolle der Frequenz des Hilfs- i oszillators H durch den Frequenzvergleichskreis
S gewährleistet somit auch die Konstanz des gewählten Frequenzverhältnisses f3:
f, Fig.2 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. Das Teilstück
des Übertragungsweges, innerhalb welchem die Frequenzumsetzung erfolgt, sei wiederum
eine Richtstrahirelaisstation. Die Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie
in Fig. i. Der Hilfsoszillator H erzeugt eine Hilfsschwingung e4, die in einem Oberwellenerzeuger
P in ein Gemisch es von Oberwellen der Hilfsschwingung e4 verwandelt wird. Dieser
Oberwellenerzeuger P enthält beispielsweise mindestens eine Verstärkerröhre nicht
linearer Charakteristik, so daß aus der sinusförmigen Schwingung e4 das erwähnte
Frequenzgemisch entsteht. Mit den Bandfiltern Bo, BI und B2 werden aus dem
Gemisch e$ jeweils die geeigneten Schwingungskomponenten e5, es und e7 herausgegriffen,
wobei wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. i die Schwingungen e, bzw. e7 in
den Überlagerungsstufen Ml bzw. M2 den Schwingungen el bzw. e2 überlagert werden
und wobei die Schwingung e,; in dem Frequenzvergleichskreis S mit der Empfangsschwingung
e., verglichen wird. Entsprechend der Frequenzdifferenz f1- f5 liefert dieser eine
Regelspannung u zur Stabilisierung des Hilfsoszillators H. Auch in dieser Einrichtung
ist das
Verhältnis der Empfangsfrequenz f1 zur Sendefrequenz f3
ganzzahlig, da ja die im Oberwellenerzeuger P entstehenden Schwingungen e5, es und
e7 in ganzzahligem Frequenzverhältnis zur Schwingung e4 des Hilfsoszillators stehen.
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Die in diesen beiden Beispielen gemäß Fig. i und 2 dem Frequenzvergleichskreis
S vom Vorverstärker R zugeführte Schwingung e1 hat eine verhältnismäßig kleine Amplitude
im Vergleich zur Amplitude derHilfsschwingung, da die Verstärkung im Vorverstärker
meist gering ist. Es ist jedoch möglich, an Stelle der Empfangsfrequenz entweder
die Zwischenfrequenz oder die Sendefrequenz zum Vergleich mit der Frequenz des Hilfsoszillators
zu verwenden, wie dies in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3 und 4 dargestellt
ist.
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Fig. 3 zeigt wiederum eine Relaisstation mit genau den gleichen Schaltelementen
wie in Fig. i, wobei wiederum die Bezugszeichen dieselbe Bedeutung haben.
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Dem Frequenzvergleichskreis S wird nebst der Schwingung e5, anstatt
wie in Fig. i die Empfangsschwingung e1, die mittels des Vervielfachers Q3 aus der
verstärkten Zwischenfrequenzschwingung e2 erzeugte Schwingung e9 zugeführt. Es wird
somit eine der Differenz der Frequenz f9 und f5 entsprechende Regelspannung u zur
Stabilisierung des Hilfsoszillators erzeugt. Mit f1, f2... f7 sind wiederum die
zu den Schwingungen e1, e2... e7 gehörenden Frequenzen bezeichnet. Da f5, f, und
f7 ganzzahlige Vielfache von f4 sind und f e ein ganzzahliges Vielfaches
von f2 ist, stehen auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Empfangsfrequenz f1 und
die Sendefrequenz f3 in einem ganzzahligen Verhältnis.
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Da f9 = n3 f2 und f5 mit f9 abgeglichen wird und zudem für
f5, f, und f7 die früher erwähnten Beziehungen gelten, ergibt sich für
f 3 = f1 ± f, ± f7 =
.
Wählt man als Vervielfachungsfaktoren beispielsweise no = 4, ni = 2,n2
= 3 und n3 = 2, so folgt f,: f1 = 5:4 für den Fall, daß wiederum in der Überlagerungsstufe
Ml die Differenzfrequenz f1 - fo und in der Überlagerungsstufe M2 die Summenfrequenz
f2 + f7 gebildet wird.
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Man kann natürlich die Frequenzen auch so wählen, daß mindestens einer
der Vervielfachungsfaktoren gleich eins wird, so daß der entsprechende Vervielfacher
weggelassen werden kann.. Besonders einfach wird die Anordnung, wenn n, = n3 = i
ist, d. h. wenn die Vervielfacher Q3 und Q, wegfallen, wobei somit die Hilfsfrequenz
f4 direkt mit der Zwischenfrequenz f2 verglichen wird.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem analog dem Beispiel
gemäß Fig.2 ein Oberwellenerzeuger P ein Gemisch e, von Oberwellen der Hilfsschwingung
e4 erzeugt, aus welchem Bandfilter B,B1B2 die gewünschten Frequenzen ausblenden.
Im Frequenzvergleichskreis S wird nun beispielsweise die Sendefrequenz f 3 mit der
Frequenz f5 der Hilfsschwingung e5 verglichen und eine der Differenz f3-
f5 entsprechende Regelspannung u zur Stabilisierung des Hilfsoszillators
H gewonnen. Auch bei dieser Anordnung stehen wiederum Empfangsfrequenz f1 und Sendefrequenz
f3 in einem ganzzahligen Verhältnis. Es bestehen natürlich noch weitere Ausführungsmöglichkeiten
mit nur einmaliger oder mehr als zweimaliger Überlagerung, wobei immer alle Überlagerungshilfsschwingungen
aus einem einzigen Hilfsoszillator gewonnen werden, und wobei der Hilfsoszillator
durch eine Regelspannung stabilisiert wird, die ein Frequenzvergleichsgerät entsprechend
der Differenz der Frequenz einer im Übertragungsweg vorkommenden Schwingung und
der Frequenz einer Hilfsschwingung erzeugt.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann, wie bereits erwähnt, auch zur
Frequenzumsetzung in einem Überlagerungsempfänger verwendet werden.
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In diesem Fall benötigt man nur noch die in Fig. i oder 2 innerhalb
der gestrichelten Umrandung liegenden Schaltelemente. Das Teilstück des Übertragungsweges,
innerhalb welchem die Frequenzumsetzung erfolgt, entspricht dann dem Vorverstärker
R der Überlagerungsstufe Ml und dem Zwischenfrequenzverstärker ZTeines Überlagerungsempfängers.
Der Hilfskreis enthält dann beispielsweise nurmehr die Elemente Hilfsoszillator
H, Frequenzvervielfacher Q, und Q, sowie Frequenzvergleichskreis S gemäß Fig. i,
oder gemäß dem Beispiel der Fig. 2 die Elemente Hilfsoszillator H, Oberwellenerzeuger
P, Bandfilter B, und Bi sowie Frequenzvergleichskreis S.
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Die Zwischenfrequenzschwingung wird dann nicht einer weiteren Überlagerungsstufe,
sondern direkt einem Demodulator zugeführt und wie üblich 'weiter verarbeitet.
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Wird die Erfindung zur Frequenzumsetzung anstatt für amplitudenmodulierte
Schwingungen für frequenzmodulierte Schwingungen verwendet, so ist unter den Frequenzen
f1, f2 ...jeweils die mittlere Frequenz zu verstehen. Die momentanen Frequenzabweichungen
von dieser mittleren Frequenz, entsprechend den Augenblickswerten der Modulationsspannung,
überlagern der Regelspannung u des Frequenzvergleichskreises eine zusätzliche Wechselkomponente.
Es ist natürlich leicht, beispielsweise durch Tiefpaßfilter alle Wechselkomponenten
der Regelspannung u, deren Frequenzen in den Bereich der zu übertragenden Niederfrequenzen
fallen, zu eliminieren.
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Unter dieser Voraussetzung bleiben sowohl die Frequenz f4 des Hilfsoszillators
als auch die Frequenzen f6 und f7 der zur Überlagerung benutzten Schwingungen konstant,
wodurch der Frequenzhub der Empfangsschwingung unverändert auf die Sendeschwingung
übertragen wird. Darin besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung, nebst den bereits
erwähnten, gegenüber der bekannten Frequenzumsetzung in Relaisstationen, welche
lediglich durch Frequenzverdopplung oder -halbierung erzielt wird.
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Es soll nun noch an Hand der Fig. 5 ein detailliertes Schaltschema
eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, wie es in Fig.3 dargestellt ist, erläutert
werden.
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Im Vorverstärker R wird die empfangene Schwingung in der Röhre ir
verstärkt und die Spannung e1 über die Kopplung 12 der Überlagerungsstufe Ml, welche
als Gleichrichter eine Diode 13 enthält, zugeführt. Gleichzeitig gelangt über die
Kopplung 14 die Überlagerungssparmung e, in den Überlagerungskreis,
so
daß über die Kopplung 15 die ausgewählte Zwischenfrequenzspannung e2 der Eingangsröhre
16 des Zwischenfrequenzverstärkers ZF zugeführt werden kann..
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Im ZwischenfrequenzverstärkerZF ist nebst der Eingangsstufe mit der
Röhre 16 und der Endstufe mit der Röhre 18 nur eine Zwischenstufe mit der Röhre
17 angedeutet. Die Stufenzahl des Zwischenfrequenzverstärkers ist für die Erfindung
natürlich belanglos. Die verstärkte Zwischenfrequenzspannung e2 gelangt über die
Kopplung =g in die Überlagerungsstufe M2, welche als Gleichrichter die Diode 2o
enthält. Gleichzeitig gelangt über die Kopplung 21 die Überlagerungsspannung e7
in den Überlagerungskreis, so daß über die Kopplung 22 die ausgewählte Sendefrequenzspannung
e3 der Verstärkerröhre 23 des Sendeverstärkers T zugeführt werden kann.
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Der Hilfsoszillator H enthält beispielsweise eine rückgekoppelte Röhre
24. Die von diesem Hilfsoszillator erzeugte Spannung e4 wird über die Kopplung 25
den drei Frequenzvervielfachern Qö, Q1 und Q2 zugeführt. Jeder der drei Vervielfacher
enthält eine Röhre 26, 27 bzw. 28, deren Gitterkreis 29, 3o bzw. 31 auf die
Frequenz der Schwingung e4 abgestimmt ist. Entsprechend den verschiedenen Abstimmungen
der Schwingkreise 32,33 bzw. 34 entstehen die voneinander verschiedenen Hilfsschwingungsspannungen
e5, es bzw. e7, deren Frequenzen Vielfache der Frequenz der Schwingung e4 darstellen.
Die Spannungen es und e7 werden, wie bereits oben beschrieben, in den Überlagerungsstufen
1'1T1 und lk72 weiterverarbeitet. Die Spannung e5 wird dem Frequenzvergleichskreis
S zugeführt dessen Beschreibung folgt.
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Der Überlagerungsstufe M2 wird über die Kopplung =g die Zwischenfrequenzspannung
e2 entnommen und einem Frequenzvervielfacher Q3, der eine Röhre 35 enthält, über
den Gitterkreis 36 zugeführt. Entsprechend der Abstimmung des Schwingkreises 37
wird eine Spannung e9, deren Frequenz ein Vielfaches der Frequenz der Schwingung
e2 ist, ebenfalls dem Frequenzvergleichskreis S zugeführt, wo ihre Frequenz mit
derjenigen der Schwingung e5 verglichen wird.
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Im Frequenzvergleichskreis S wird aus der Spannung e9 durch Verstärkung
in der Röhre 38 die Spannung e21 gewonnen und aus dieser durch Phasendrehung um
go°, mittels der Kapazität 39 und des Widerstandes 40, und Verstärkung in
der Röhre 41 die Spannung e22 erzeugt. Die Spannungen e21 und e22 stellen somit
zwei um go° phasenverschobene Komponenten eines Drehfeldes dar. In den Mehrgitterröhren
42 und 43 werden diese Komponenten mit der Spannung e5 moduliert, woraus die beiden
Spannungen e31 und e32 resultieren, deren Frequenz mit der Differenzfrequenz der
Eingangsspannungen. e5 und e9 übereinstimmt. Diese Spannungen e31 und e32 bilden
wieder die Komponenten eines rechts- oder linksläufigen Drehfeldes, je nachdem ob
die Frequenz von e5 kleiner oder größer als die Frequenz von e, ist.
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Diese Spannungen e31 und e32 erfahren in den Phasendrehkreisen, gebildet
aus Widerstand 44 und Kapazität 45 bzw. Kapazität 46 und Widerstand 47, eine zusätzliche
Phasendrehung, so daß die Spannungen e33 und e34 entweder gleichphasig oder gegenphasig
sind, was wiederum nur davon abhängt, ob die Frequenz der Spannung von e5 kleiner
oder größer ist als die Frequenz der Spannung e9.
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Mit Hilfe der Doppeldiode 48 wird nun eine Gleichspannung u erzeugt,
welche je nach der Gleichphasigkeit oder Gegenphasigkeit der über die Kopplungen
49 und 50 zugeführten Spannungen e33 und e34 ihre Richtung ändert.
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Diese Regelspannung u variiert beispielsweise über den magnetisch
beeinflußbaren Korrekturkondensator 51 die Eigenfrequenz des Schwingkreises 52 und
damit die Sendefrequenz des Hilfsoszillators, und zwar im Sinne einer gegenseitigen
Angleichung der durch Frequenzvervielfachung gewonnenen Spannungen e5 und e9.
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An Stelle der in Fig. 5 gezeichneten elektromagnetischen Steuerung
des Kondensators 51 ist es auch möglich, mittels des Drehfeldes, welches durch die
Spannungskomponenten e31 und e", aufgebaut wird, beispielsweise einen Ferrarismotor
anzutreiben, der dann seinerseits den Kondensator 51 steuert, da der Drehsinn des
Ferrarismotors wieder davon abhängt, welche der Frequenzen der Spannungen e5 und
e9 die größere ist.
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Die in den Fig. 1, 2 und 4 gezeichneten Schaltungsblöcke können beispielsweise
durch die in der Fig. 5 innerhalb der gestrichelten Umrandungen gezeichneten und
mit den gleichen Bezugszeichen versehenen Detailschaltungen ersetzt werden.
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Fig. 6 zeigt ein detailliertes Schaltbeispiel der in den Fig. 2 und
4 nur in Blockform gezeichneten Bandfilter Bp, B1 ... sowie des Oberwellenerzeugers
P: Die vom Hilfsoszillator erzeugte Spannung e4 wird über den auf die Frequenz der
Schwingung e4 abgestimmten Schwingkreis loo dem Gitter der Röhre 1o1 des Oberwellenerzeugers
P zugeführt. Der Arbeitspunkt dieser Röhre ist in den nichtlinearen Teil ihrer Charakteristik
gelegt, wodurch im Anodenkreis nebst der Grundschwingung e4 auch Oberwellen derselben
auftreten. Dieses Schwingungsgemisch e$ wird über die Kopplung rot den Bandfiltern
B,; B1 . . . zugeführt. Die Grundschwingung e4 kann beispielsweise schon im Oberwellenerzeuger
P durch den auf die Frequenz der Schwingung e4 abgestimmten Kreis =o3 unterdrückt
werden.
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Von den Bandfiltern, welche alle gleich aufgebaut, aber natürlich
verschieden dimensioniert sind, wurde nur das Filter B, dargestellt.
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Die Schwingkreise 104 und 105 sind auf die Frequenz der durch
das betreffende Filter auszublendenden Schwingung e5 abgestimmt und entsprechend
der gewünschten Bandbreite gekoppelt. Der Widerstand =o6 verhindert eine gegenseitige
störende Beeinflussung des Bandfilters B, und der an die Leitung 107 angeschlossenen
weiteren Filter B1, B2 . . ., wie sie beispielsweise in den Fig. 2 und 4 gezeichnet
sind.