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Einrichtung zur Übertragung und Verstärkung von elektrischen Impulsen
Zur verzerrungsfreien Übertragung oder Verstärkung von elektrischen Impulsen mit
rechteckigem zeitlichem Verlauf oder einer periodischen Folge solcher Impulse ist
ein Frequenzspektrum erforderlich, das sich als Banden- bzw. Linienspektrum theoretisch
bis zu unendlich hohen Frequenzen erstreckt. Wenn man mit solchen Impulsen eine
Hochfrequenz tastet, dann bilden sich diesen Spektren entsprechende Seitenbänder
der Hochfrequenz aus. Praktisch ist es einerseits aus schaltungstechnischen Gründen,
andererseits zur' Vermeidung von Störungen fremder Sender bei der drahtlosen Übertragung
nicht möglich, das gesamte Spektrum der Impulse zu verarbeiten. Man schneidet deshalb
bei der Übertragung von reinen Impulsen die oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz
liegenden Frequenzen, bei der Übertragung von impulsmäßig getasteter Hochfrequenz
die Frequenzen oberhalb und unterhalb bestimmter Grenzfrequenzen beiderseits des
hochfrequenten Trägers weg. Hierbei muß man jedoch eine Impulsverzerrung in Kauf
nehmen, weil die Steilheit der Impulsflanken und die Ecken der Impulse im wesentlichen
durch die hohen Frequenzen des Spektrums ausgebildet werden. Es ist also jeweils
ein Kompromiß
zwischen zulässiger Bandbreite und Impulsverzerrung
zu schließen.
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Eine weitere unangenehme Folge der Beschneidung des Frequenzbandes
ist das Vor- und Nachschwingen. Wenn man z. B. eine impulsmäßig getastete Hochfrequenz
in einem Sender oder Empfänger über einen mehrstufigen Verstärker führt, dessen
einzelne Stufen durch Bandfilter miteinander gekoppelt sind, dann erhält man wegen
der multiplikativen Zusammensetzung der Durchlaßcharakteristiken der Bandfilter,
von denen jedes im günstigsten Fall ein durch Zusammenziehung zweier Maxima entstehendes
breites Maximum entsprechend einer nach der vierten Potenz verlaufenden Kurve aufweist,
einen plötzlichen Übergang vom Durchlaßbereich zum Sperrbereich, so daß die resultierende
Durchlaßcharakteristik mit großer Näherung die in Abb. x dargestellte rechteckige
Form annimmt. Wenn auf den Eingang eines solchen Übertragungskanals ein idealer
rechteckiger Impuls wirkt, dann erhält man im Ausgang einen um die Laufzeit nacheilenden,
mehr oder weniger verschliffenen Impuls, dessen Flankensteilheit proportional zur
Durchlaßbreite des Kanals ist. An den Flanken des eigentlichen Impulses tritt außerdem
noch das Vor- und Nachschwingen auf.
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Bei vielen technischen Anwendungen von Impulsen, z. B. beim Fernsehen,
ist die Dauer der Impulse groß gegenüber der Einschwingzeit. Daher fallen die Einschwingvorgänge,
etwa bei der Betrachtung im Oszillographen, nicht besonders auf und spielen auch
keine Rolle bei der Festlegung eines bestimmten Zeitpunktes durch die Impulse, wenn
man als Zeitmarke einen bestimmten Spannungswert versteht, der nach Auftreffen des
Impulses auf ein integrierendes Schaltglied, z. B. ein RC-Glied, überschritten wird.
Derartige integrierte Impulse definieren daher einen Zeitpunkt um so besser, je
länger die Impulse gegenüber der Einschwingzeit sind.
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In besonderen Fällen, beispielsweise bei der Entfernungsmessung nach
der Impulsrückstrahlmethode oder bei der Nachrichtenübermittlung mit Hilfe von zeitmodulierten
Impulsen, benötigt man jedoch extrem kurze Impulse. Auch wenn man Impulse großer
Amplitude aussendet, muß man, um die Röhren nicht zu überlasten, die Impulse so
kurz wie möglich machen. In diesen Fällen machen sich die Einschwingvorgänge bereits
sehr störend bemerkbar.
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Die kürzesten Impulse erhält man bekanntlich durch zeitliche Differentiation
eines rechteckigen Impulses, wobei zur Differentiation beispielsweise eine Drossel
verwendet werden kann. Es liefert dann die Vorderfront des ursprünglichen rechteckigen
Impulses einen sehr kurzen positiven und die Rückfront desselben einen sehr kurzen
negativen Impuls. Der Grenzfall für den kürzesten Impuls entspricht also dem zeitlichen
Differentialquotienten eines Einheitsstoßes, und seine mathematische Darstellung
lautet daher
Hat der Übergangskanal die in Abb. z dargestellte Eigenschaft, alle Frequenzen zwischen
den Grenzfrequenzeri @,P mit konstanter Amplitude wiederzugeben und alle übrigen
Frequenzen abzuschneiden, so hat der Impuls nach Durchlaufen des Kanals die Form
Dieser verzerrte Impuls ist in Abb.2 dargestellt. Wie man erkennt, erstreckt sich
das Vor- und Nachschwingen über ein Mehrfaches der ursprünglichen Impulsbreite und
stellt eine unnütze Energievergeudung dar. Ferner können zwei derartige Impulse
zeitlich nicht schnell aufeinander folgen, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen.
Es ist daher bei der Mehrfaehimpulsmodulation, bei der mehrere durch zeitmodulierte
Impulse gebildete Nachrichten ineinandergeschachtelt werden, ein starkes Übersprechen
zu erwarten.
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Es wurde nun bereits vorgeschlagen, bei der Impulsübertragung die
Flanken der Durchlaßcharakteristik des Übergangskanals nicht allzu steil zu machen,
um auch noch einige höhere bzw. tiefere Frequenzen als die Grenzfrequenzen, wenn
auch mit kleiner Amplitude, zu übertragen.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß nicht ein beliebiges
Abrunden der Flanken derÜbertragungscharakteristik die oben genannten Nachteile
aufhebt, sondern daß es eine günstigste Übertragungscharakteristik gibt, bei der
das Vor- und Nachschwingen gerade verschwinden und der Impuls bei vorgegebener Energie
maximale Höhe und größte Flankensteilheit erreicht. Ferner hat diese Übertragungscharakteristik
den Vorteil, daß sie ohne Aufwand von zusätzlichen Mitteln zur Phasendrehung einen
linearen Phasengang hat. Gibt man nämlich den Flanken der Übertragungscharakteristik
die Form einer Gaußschen Fehlerkurve von der Form e
(Abb. 3), so erhält man im Ausgang des Kanals einen Impuls, der zeitlich wieder
nach Art einer Fehlerkurve verläuft und sehr schnell absinkt. Der Übertragungsvorgang
läßt sich dann mathematisch in folgender Weise ausdrücken
Bei der Bandbreite z. SZ (die Bandbreite sei dadurch definiert, -daß bei der Grenzfrequenz
die Amplitude einer Sinusschwingung auf den Wert
abgeklungen ist) hat also der Impuls die Form
DieserImpulsistzumVergleichinAbb. q.mitgleichem Energieinhalt wie ein mit Vor- und
Nachschwingen behafteter Impuls dargestellt. Der Vergleich der beiden Impulse zeigt,
daß das Maximum des gemäß einer Gaußschen Fehlerkurve verlaufenden Impulses
um
den Faktor 1,33 größer ist als das Maximum des anderen Impulses und daß der erstere
Impuls bereits praktisch auf Null abgesunken ist, wenn der letztere seinen ersten
Nulldurchgang aufweist.
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Die Übertragungscharakteristik nach Art der Gaußsehen Fehlerkurve
läßt sich erzielen, wenn man den gesamten Übertragungskanal oder Verstärkungskanal
oder einen Teil desselben aus einer Vielzahl von hintereinandergeschalteten, vorzugsweise
gleichen, frequenzabhängigen Gliedern aufbaut, von denen jedes in der Übertragqngscharakteristik
für die Frequenz Null bei der Übertragung reiner Impulse bzw. für die Trägerfrequenz
bei der Übertragung impulsmäßig getasteter Hochfrequenz ein absolutes Maximum mit
quadratischem Charakter aufweist und eine Durchlaßbreite hat, die wesentlich größer
als die Bandbreite des gewünschten Impulses ist. Die Durchlaßbreite des gesamten
Übertragungskanals ist wegen der Hintereinanderschaltung dieser vielen Glieder,
bei der ja die Charakteristiken der einzelnen Glieder sich multiplizieren, aber
nicht mehr wesentlich größer als die Bandbreite der gewünschten Impulse, sondern
gleich derselben.
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Es ist bereits bekannt, Impulse durch eine Mehrzahl von hintereinandergeschalteten
RC-gekoppelten Röhrenstufen zu verstärken. Bei einer hinreichenden Anzahl solcher
Röhrenstufen wird zwar eine Gaußsche Fehlerkurve als Übertragungscharakteristik
des gesamten Verstärkers erreicht, jedoch wird das Frequenzband der gegebenen Impulse
dabei nicht oder nicht wesentlich beschnitten und deshalb auch keine Impulsform,
wie sie in Abb. 3 dargestellt ist, am Ausgang des Verstärkers erzielt, sondern die
Impulse werden im wesentlichen formgetreu verstärkt.
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Als wichtiges Merkmal der Erfindung ist daher noch zu nennen, daß
die ursprünglich gegebenen Impulse durch die Übertragungscharakteristik tatsächlich
eine Umformung in Impulse nach Art der Abb. 3 erfahren, was nur der Fall ist, wenn
das Spektrum der zugeführten Impulse in einem Gebiet, dessen Energieinhalt im Vergleich
zum Energieinhalt des ganzen Impulsspektrums nicht vernachlässigbar klein ist, beschnitten
wird. Dieses Merkmal ist bei den bekannten Schaltungen nicht vorhanden.
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Es ist ferner bekannt, zur Ionosphärenforschung dienende Impulse durch
eine Reihe von hintereinandergeschalteten Röhrenstufen zu verstärken, von denen
jede einen auf die gleiche Frequenz abgestimmten LC-Kreis besitzt. Der einzelne
Kreis ist dabei derart bemessen, daß ein dem betreffenden Röhrengitter zugeführter
Spannungsimpuls an der Vorder- und der Rückflanke nach einer Exponentialfunktion
abgeflacht wird. Wenn man eine größereAnzahl von in dieser Weise ausgebildeten '
Röhrenstufen hintereinanderschaltet, erhält man ebenfalls eine Durchlaßcharakteristik
des gesamten Verstärkers, welche das Spektrum der zugeführten Impulse in einem zum
Energieinhalt des ganzen Impulsspektrums nicht vernachlässigbar kleinen Gebiet beschneidet.
Jedoch ist die erfindungsgemäße Erkenntnis, daß man auf diese Wise bei vorgegebener
Energie der Impulse maximale Impulshöhe und größte Flankensteilheit erreichen kann,
dieser Anordnung nicht zu entnehmen, und die bekannte Schaltung ist auch bereits
bald wieder zugunsten anderer Veretärkerschaltungen mit höherem Verstärkungsgrad
verlassen worden. Zur Berücksichtigung dieser bekannten Schaltung soll deshalb ein
Verstärker, bei dem eine Durchlaßcharakteristik von der Form einer Gaußschen Fehlerkurve
durch alleinige Anwendung von mehreren je über Röhrenstufen miteinander gekoppelten,
einfachen und gleich abgestimmten Resonanzkreisen erreicht wird, vom Schutzbegehren
ausgeschlossen werden.
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Die Erfindung besteht somit in einer Einrichtung zur Übertragung oder
Verstärkung von elektrischen Impulsen, insbesondere von impulsmäßig getasteter Hochfrequenz,
bei welcher der gesamte Übertragungs-bzw. Verstärkungskanal oder ein Teil desselben
eine Durchlaßcharakteristik von der Form einer Gaußsehen Fehlerkurve aufweist, welche
das Spektrum der zugeführten Impulse in einem Gebiet beschneidet, dessen Energieinhalt
im Vergleich zum Energieinhalt des ganzen Impulsspektrums nicht vernachlässigbar
klein ist unter Ausschluß dessen, daß diese Durchlaßcharakteristik durch alleinige
Anwendung von mehreren je über Röhrenstufen miteinander gekoppelten einfachen und
gleich abgestimmten Resonanzkreisen gebildet wird.
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Eine Ausführungsform der Erfindung besteht in einer Folge von gegenseitig
über Röhrenstufen entkoppelten gleichartigen RC-Gliedern, wodurch mit wachsender
Gliederzahl eine immer genauere Annäherung der Durchlaßcharakteristik an die Fehlerkurve
erreicht wird. In Abb. 5 sind die erhaltenen Impulse für fünf und für zwanzig RC-Glieder
dargestellt. Bei unendlich vielen Gliedern ergibt sich die Impulsform, die gegenüber
anderen -Impulsformen mit gleichem Energieinhalt am raschesten abklingt.
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Bei der Erfindung wird also die gewünschte optimale Impulsform nicht
primär erzeugt, sondern erst aus den ursprünglichen Impulsen in dem zweckentsprechend
bemessenen Übertragungskanal hergestellt.
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Es sei schließlich noch darauf hingewiesen, daß die Übertragungscharakteristik
in Form einer Gaußschen Fehlerkurve auch mit Hilfe eines passiven Vierpols herzustellen
ist, beispielsweise mit Hilfe eines Kabels oder Kunstkabels, das geeignete Verzerrungseigenschaften
aufweist, z. B. in den Längsgliedern eines mehrgliedrigen Filters eine Parallelschaltung
von L, C, Rund in den Quergliedern eine Reihenschaltung von L, C, R mit geeignet
gewählten Größen.