ele326 a method of reducing disturbances in radio signalling by a system of frequency modulation -...

8/3/2019 ELE326 a Method of Reducing Disturbances in Radio Signalling by a System of Frequency Modulation - Part 1

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P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t e o f R a d i o E n g i n e e r s

V o l u m e 2 4 , Number 5 M a y , 1 9 3 6

TECHNICAL PAPERS

A METHOD OF REDUCING DISTURBANCES I NRADIO SIGNALING BY A SYSTEM OF

FREQUENCY MODULATION*

BY

EDWIN H . A R M S T R O N G( D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , C o l u m b i a U n i v e r s i t y , N e w York C i t y )

Summary-A new m e t h o d o f r e d u c i n g t h e e f f e c t s o f a l l k i n d s o f d i s t u r b a n c e s

i s d e s c r i b e d . T h e t r a n s m i t t i n g a n d r e c e i v i n g a r r a n g e m e n t s o f t h e s y s t e m , w h i c h m a k e su s e o f f r e q u e n c y m o d u l a t i o n , a r e s h o w n i n d e t a i l . T h e t h e o r y o f t h e p r o c e s s b yw h i c h n o i s e r e d u c t i o n i s o b t a i n e d i s d i s c u s s e d a n d a n a c c o u n t i s g i v e n o f t h e p r a c t i c a lr e a l i z a t i o n o f i t i n t r a n s m i s s i o n s d u r i n g t h e p a s t y e a r f r o m t h e N a t i o n a l B r o a d -

c a s t i n g C o m p a n y ' s e x p e r i m e n t a l s t a t i o n o n t h e E m p i r e S t a t e B u i l d i n g i n N ew Y o r kC i t y t o W e s t h a m p t o n , L o n g I s l a n d , a n d H a d d o n f i e l d , N e w J e r s e y . F i n a l l y , m e t h -o d s o f m u l t i p l e x i n g a n d t h e r e s u l t s o b t a i n e d i n t h e s e t e s t s a r e r e p o r t e d .

PART IT I S t h e p u r p o s e o f t h i s p a p e r t o d e s c r i b e s o m e r e c e n t d e v e l o p -

I m e n t s i n t h e a r t o f t r a n s m i t t i n g a n d r e c e i v i n g i n t e l l i g e n c e b y t h e

m o d u l a t i o n o f t h e f r e q u e n c y o f t h e t r a n s m i t t e d w a v e . I t i s t h e

f u r t h e r p u r p o s e o f t h e p a p e r t o d e s c r i b e a n e w m e t h o d o f r e d u c i n g

i n t e r f e r e n c e i n r a d i o s i g n a l i n g a n d t o s h o w how t h e s e d e v e l o p m e n t smay b e u t i l i z e d t o p r o d u c e a v e r y g r e a t r e d u c t i o n i n t h e e f f e c t s o f t h e

v a r i o u s d i s t u r b a n c e s t o w h i c h r a d i o s i g n a l i n g i s s u b j e c t .

H I S T O R I C A L

T h e s u b j e c t o f f r e q u e n c y m o d u l a t i o n i s a v e r y o l d o n e . W h i l e t h e r ea r e s o m e v a g u e s u g g e s t i o n s o f a n e a r l i e r d a t e , i t a p p e a r s t o h a v e h a di t s o r i g i n s h o r t l y a f t e r t h e i n v e n t i o n o f t h e P o u l s e n a r c , w h e n t h e i n -a b i l i t y t o k e y t h e a r c i n a c c o r d a n c e w i t h t h e p r a c t i c e o f t h e s p a r k

t r a n s m i t t e r f o r c e d a n e w m e t h o d o f m o d u l a t i o n i n t o e x i s t e n c e . T h e e x -p e d i e n t o f s i g n a l i n g ( t e l e g r a p h i c a l l y ) b y a l t e r i n g t h e f r e q u e n c y o f t h e

t r a n s m i t t e r a n d u t i l i z i n g t h e s e l e c t i v i t y o f t h e r e c e i v e r t o s e p a r a t e

t h e s i g n a l i n g w a v e f r o m t h e i d l e w a v e l e d t o t h e p r o p o s a l t o a p p l y t h ep r i n c i p l e t o t e l e p h o n y . I t w a s p r o p o s e d t o e f f e c t t h i s a t t h e t r a n s m i t t e r

b y v a r y i n g t h e w a v e l e n g t h i n a c c o r d a n c e w i t h t h e m o d u l a t i o n s o f t h e

v o i c e , a n d t h e p r o p o s a l s r a n g e d f r o m t h e u s e o f a n e l e c t r o s t a t i c m i c r o -

* D e c i m a l c l a s s i f i c a t i o n : R400XR430. O r i g i n a l m a n u s c r i p t r e c e i v e d b y t h eI n s t i t u t e , J a n u a r y 1 5 , 1 9 3 6 . P r e s e n t e d b e f o r e N e w York m e e t i n g , N o v e m b e r 6 ,1 9 3 5 .

6 8 9



A r m s t r o n g : F r e q u e n c y M o d u l a t i o n - N o i s e R e d u c t i o n

p h o n e a s s o c i a t e d w i t h t h e o s c i l l a t i n g c i r c u i t t o t h e u s e o f a n i i n d u c t a i w e ct h e r e i n w h o s e v a l u e c o u l d b e c o n t r o l l e d b y s o m e e l e c t r o m a g , n e t i cm e a n s . A t t h e r e c e i v e r i t w a s p r o p o s e d t o c a u s e t h e v a r i a t i o n i s i n f r e -q u e n c y o f t h e r e c e i v e d w a v e t o c r e a t e a m p l i t u d e v a r i a t i o n s b y t h e u s e

o f m i s t u n e d r e c e i v i n g c i r c u i t s s o t h a t a s t h e i n i c o m i n g v a r i a b l e f r e -q u e n c y c u r r e n t c a m e c l o s e r i n t o o r r e c e d e d f a r t h e r f r o m t h e r e s o n i a n i tf r e q u e n c y o f t h e r e c e i v e r c i r c u i t s , t h e a m p l i t u i d e o f t h e c u r r e n i t s t h e r e i nw o u l d b e c o r r e s p o n d i n g ly v a r i e d a n d s o c o u l d b e d e t e c t e d b y t h e u s u a l

r e c t i f y i n g m e a n s . N o p r a c t i c a l s u c c e s s c a m e f r o m t h e s e p r o p o s a l s a l l da m p l i t u d e m o d u l a t i o n i r e m a i n e d t h e a c c e p t e d m e t h o d o f m o d u l a t i n g

t h e a r c . T h e v a r i o u s a r r a n g e m e n t s w h i c h w e r e t r i e d w i l l b e f o u n i d i l l t h ep a t e n t r e c o r d s o f t h e t i m e s a n d s u b s e q u e n t l y i n s o m e o f t b e l e a d i n g

t e x t b o o k s . ' T h i e t e x t b o o k s t e s t i f y u n a n i m o u s l y t o t h e s u p e r i o r i t y o fa m p l i t u d e m o d u l a t i o n .

Some t i m e a f t e r t h e i n t r o d u c t i o n o f t h e vacuum t u b e o s c i l l a t o ra t t e m p t s w e r e a g a i n i n a d e t o m o d u l a t e t h e f r e q u e n c y a n d a g a i n t h e

v e r d i c t o f t h e a r t w a s r e n d e r e d a g a i n s t t h e m e t h o d . A n ( e w e l e m i e n th o w e v e r , h a d e n t e r e d i n 1 t o t h e o b j e c t i v e o f t h e e x p e r i m e n i t s . T ' h e q u a n -

t i t a t i v e r e l a t i o n b e t w e e n it h e w i d t h

o ft h e b a n d

o f f r e q u e n c i e sr e q u i r e d

i n a m p l i t u d e m o d u l a t i o n a n d t h e f r e q u e n c y o f t h e m o d u l a t i n g c u r r e n t

b e i n g now w e l l u n d e r s t o o d , i t w a s p r o p o s e d t o n a r r o w t h i s b a n d b y t h e

u s e o f f r e q u e n c y m o d u l a t i o n i n w h i c h t h e d e v i a t i o n o f t h e f r e q u e n c y

w a s t o b e h e l d b e l o w s o m e l o w l i m i t ; f o r e x a m p l e , a f r a c t i o n i o f t h e

h i g h e s t f r e q u e n c y o f t h e m o d u l a t i n g c u r r e n t . By t h i s i n e a n s a n

e c o n o m y i n t h e u s e o f t h e f r e q u e n c y s p e c t r u m w a s t o b e o b t a i i n e d . T h e

f a l l a c y o f t h i s w a s e x p o s e d b y C a r s o n 2 i n 1 9 2 2 i n t h e f i r s t m a t h e m a t i c a l

t r e a t m e n t o f t h e p r o b l e m , w h e r e i n i t w a s s l h o w n t h a t t h e w i d t h o f t h e

b a n d r e q u i r e d w a s a t l e a s t d o u b l e t h e v a l u e o f t h e h i g h e s t m o d u l a t i n gf r e q u e n c y . T h e s u b j e c t o f f r e q u e n c y m n o d u l a t i o n i s e e m e d f o r e v e r

c l o s e d w i t h C a r s o n ' s f i n a l j u d g m e n t , r e n i d e r e d a f t e r a t h o r o u g h c o n -

s i d e r a t i o n o f t h e m a t t e r , t h a t " C o n s e q u e n t l y t h i s m n e t h o d o f m o d u l a -

t i o n i n h e r e n t l y d i s t o r t s , w i t h o u t a n y c o m p e n s a t i n g a d v a n t a g e s w h a t -

s o e v e r . "F o l l o w i n g C a r s o n a number o f y e a r s l a t e r t h e s u b j e c t w a s a g a i n

e x a m i n e d i n a n u m b e r o f m a t h e m a t i c a l t r e a t m e n t s b y w r i t e r s w h o s e

r e s u l t s c o n c e r n i n g t h e w i d t h o f t h e b a n d w h i c h w a s r e q u i r e d c o n f i r m e dt h o s e a r r i v e d a t b y C a r s o n , a n d w h o s e c o n c l u s i o n s , when a n i y w e r e e x -

p r e s s e d , w e r e u n i f o r m l y a d v e r s e t o f r e q u e n c y m o d u l a t i o n .

Z e n n e e k , " L e h r b u c h d e r d r a h t l o s e n T e l e g r a p h y , " ( 1 9 1 2 ) .E c c l e s , " W i r e l e s s T e l e g r a p h y a n d T e l e p h o n y , " ( 1 9 1 6 ) .G o l d s m i t h , " R a d i o T e l e p h o n y , " ( 1 9 1 8 ) .

2 " N o t e s on t h e t h e o r y o f m o d u l a t i o n , " P R O C . I . R . E . , v o l . 1 0 , p p . 5 7 - 8 2 ;F e b r u a r y , ( 1 9 2 2 ) .

6 9 0




I n 1 9 2 9 R o d e r 3 c o n f i r m e d t h e r e s u l t s o f C a r s o n a n d c o m m e n t e d

a d v e r s e l y o n t h e u s e o f f r e q u e n c y m o d u l a t i o n .

I n 1 9 3 0 v a n d e r P o l 4 t r e a t e d t h e s u b j e c t a n d r e d u c e d h i s r e s u l t st o a n e x c e l l e n t f o r m f o r u s e b y t h e e n g i n e e r . He d r e w n o c o n c l u s i o n s

r e g a r d i n g t h e u t i l i t y o f t h e m e t h o d .

I n 1 9 3 1 , i n a m a t h e m a t i c a l t r e a t m e n t o f a m p l i t u d e , p h a s e , a n d f r e -q u e n c y m o d u l a t i o n , t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e p r a c t i c a l a s p e c t o f t h e i n -c r e a s e o f e f f i c i e n c y a t t h e t r a n s m i t t e r w h i c h i s p o s s i b l e w h e n t h e f r e -q u e n c y i s m o d u l a t e d , R o d e r 5 c o n c l u d e d t h a t t h e a d v a n t a g e s g a i n e d

o v e r a m p l i t u d e m o d u l a t i o n a t t h a t p o i n t w e r e l o s t i n t h e r e c e i v e r .

I n 1 9 3 2 A n d r e w ' c o m p a r e d t h e e f f e c t i v e n e s s o f r e c e i v e r s f o r f r e -q u e n c y m o d u l a t e d s i g n a l s w i t h a m p l i t u d e m o d u l a t e d o n e s a n d a r r i v e da t t h e c o n c l u s i o n t h a t w i t h t h e t u n e d c i r c u i t m e t h o d o f t r a n s l a t i n g t h e

v a r i a t i o n s i n f r e q u e n c y i n t o a m p l i t u d e v a r i a t i o n s , t h e f r e q u e n c y m o d u -

l a t e d s i g n a l p r o d u c e d l e s s t h a n o n e t e n t h t h e p o w e r o f o n e w h i c h w a s

a m p l i t u d e m o d u l a t e d .

W h i l e t h e c o n s e n s u s b a s e d o n a c a d e m i c t r e a t m e n t o f t h e p r o b l e m

i s t h u s h e a v i l y a g a i n s t t h e u s e o f f r e q u e n c y m o d u l a t i o n i t i s t o t h e f i e l d

o f p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n t h a t o n e m u s t g o t o r e a l i z e t h e f u l l e x t e n t o ft h e d i f f i c u l t i e s p e c u l i a r t o t h i s t y p e o f s i g n a l i n g .

P R O B L E M S I N V O L V E D

T h e c o n d i t i o n s w h i c h m u s t b e f u l f i l l e d t o p l a c e a f r e q u e n c y m o d u l a -

t i o n s y s t e m u p o n a c o m p a r a t i v e b a s i s w i t h a n a m p l i t u d e m o d u l a t e d

o n e a r e t h e f o l l o w i n g :1 . I t i s e s s e n t i a l t h a t t h e f r e q u e n c y d e v i a t i o n s h a l l b e a b o u t a f i x e d

p o i n t . T h a t i s , d u r i n g m o d u l a t i o n t h e r e s h a l l b e a s y m m e t r i c a l c h a n g e

i n f r e q u e n c y w i t h r e s p e c t t o t h i s p o i n t a n d o v e r p e r i o d s o f t i m e t h e r es h a l l b e n o d r i f t f r o m i t .

2 . T h e f r e q u e n c y d e v i a t i o n o f t h e t r a n s m i t t e d w a v e s h o u l d b e i n -d e p e n d e n t o f t h e f r e q u e n c y o f t h e m o d u l a t i n g c u r r e n t a n d d i r e c t l yp r o p o r t i o n a l t o t h e a m p l i t u d e o f t h a t c u r r e n t .

3 . T h e r e c e i v i n g s y s t e m m u s t h a v e s u c h c h a r a c t e r i s t i c s t h a t i t r e -s p o n d s o n l y t o c h a n g e s i n f r e q u e n c y a n d t h a t f o r t h e maximum c h a n g e

o f f r e q u e n c y a t t h e t r a n s m i t t e r ( f u l l m o d u l a t i o n ) t h e s e l e c t i v e c h a r a c t e r -

i s t i c o f t h e s y s t e m r e s p o n s i v e t o f r e q u e n c y c h a n g e s s h a l l b e s u c h t h a t s u b-s t a n t i a l l y c o m p l e t e m o d u l a t i o n o f t h e c u r r e n t t h e r e i n w i l l b e p r o d u c e d .

3 " U e b e r F r e q u e n z m o d u l a t i o n , " T e l e f u n k e n - Z e i t u n g n o . 5 3 , p . 4 8 , ( 1 9 2 9 ) .4 " F r e q u e n c y m o d u l a t i o n , " P R O C . I . R . E . , v o l . 1 8 , p p . 1 1 9 4 - 1 2 0 5 ; J u l y ,

( 1 9 3 0 ) .$ " A m p l i t u d e , p h a s e , a n d f r e q u e n c y m o d u l a t i o n , " P R O C . I . R . E . , v o l . 1 9 , p p .

2 1 4 5 - 2 1 7 6 ; D e c e m b e r , ( 1 9 3 1 ) .6 " T h e r e c e p t i o n o f f r e q u e n c y m o d u l a t e d r a d i o s i g n a l s , " P R O C . I . R . E . ,

v o l . 2 0 , p p . 8 3 5 - 8 4 0 ; M a y , ( 1 9 3 2 ) .

6 9 1




4 . Th e a m p l i t u d e o f t h e r e c t i f i e d o r d e t e c t e d c u r r e n t s h o u l d b e

d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e c h a n g e i n f r e q u e n c y o f t h e t r a n s m i t t e d

w a v e a n d i n d e p e n d e n t o f t h e r a t e o f c h a n g e t h e r e o f .5 . A l l t h e f o r e g o i n g o p e r a t i o n s s h o u l d b e c a r r i e d o u t b y t h e u s e o f

a p e r i o d i c m e a n s .

THE T R A N S M I T T I N G S Y S T E M

An e x t e n s i v e e x p e r i e n c e w i t h t h e v a r i o u s known m e t h o d s o f m o d u -

l a t i n g t h e f r e q u e n c y c o n v i n c e d t h e w r i t e r a s i n d e e d i t w o u l d a n y o n e

who h a s t r i e d t o w o r k w i t h t h i s ' m e t h o d o f m o d u l a t i o n a t a h i g h f r e -

q u e n c y t h a t s o m e new s y s t e m m u s t b e e v o l v e d . D u r i n g t h e c o u r s e o ft h i s w o r k t h e r e w a s e v o l v e d a m e t h o d w h i c h , i t i s b e l i e v e d , i s a c o m -

p l e t e s o l u t i o n o f t h e t r a n s m i t t e r p r o b l e m . I t c o n s i s t s i n e m p l o y i n g t h e

m o d u l a t i n g c u r r e n t t o s h i f t t h e p h a s e o f a c u r r e n t d e r i v e d f r o m a

s o u r c e o f f i x e d p h a s e a n d f r e q u e n c y b y a n a m o u n t w h i c h i s d i r e c t l yp r o p o r t i o n a l t o t h e a m p l i t u d e o f t h e m o d u l a t i n g c u r r e n t a n d i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a l t o i t s f r e q u e n c y . T h e r e s u l t i n g p h a s e s h i f t i s t h e n p u t

t h r o u g h a s u f f i c i e n t n u m b e r o f f r e q u e n c y m u l t i p l i c a t i o n s t o i n s u r e 1 0 0

p e r c e n t m o d u l a t i o n f o r t h e h i g h e s t f r e q u e n c y o f t h e m o d u l a t i n g c u r -r e n t . By k e e p i n g t h e i n i t i a l p h a s e s h i f t b e l o w t h i r t y d e g r e e s s u b -

s t a n t i a l l i n e a r i t y c a n b e o b t a i n e d .T h e m e a n s e m p l o y e d t o p r o d u c e t h e p h a s e s h i f t c o n s i s t e d o f a

s o u r c e o f f i x e d f r e q u e n c y , a b a l a n c e d m o d u l a t o r e x c i t e d b y t h i s s o u r c e ,a n d a r r a n g e m e n t s f o r s e l e c t i n g t h e s i d e f r e q u e n c i e s f r o m t h e m o d u l a -

t o r o u t p u t a n d c o m b i n i n g t h e m i n t h e p r o p e r p h a s e w i t h a n u n m o d u -

l a t e d c u r r e n t d e r i v e d f r o m t h e i n i t i a l s o u r c e . T h e p h a s e r e l a t i o n sw h i c h m u s t e x i s t w h e r e t h e c o m b i n a t i o n o f t h e m o d u l a t e d a n d u n -

m o d u l a t e d c u r r e n t s t a k e s p l a c e a r e t h a t a t t h e mom e nt t h e u p p e r a n d

l o w e r s i d e f r e q u e n c i e s p r o d u c e d b y t h e b a l a n c e d m o d u l a t o r a r e i np h a s e w i t h e a c h o t h e r , t h e p h a s e o f t h e c u r r e n t o f t h e m a s t e r o s c i l l a t o rf r e q u e n c y w i t h w h i c h t h e y a r e c o m b i n e d s h a l l d i f f e r t h e r e f r o m b y

n i n e t y d e g r e e s .T h e s c h e m a t i c a n d d i a g r a m m a t i c a r r a n g e m e n t s o f t h e c i r c u i t s m ay

b e v i s u a l i z e d b y r e f e r e n c e t o F i g s . 1 a n d 2 , a n d t h e i r o p e r a t i o n u n d e r -

s t o o d f r o m t h e f o l l o w i n g e x p l a n a t i o n . T h e m a s t e r o s c i l l a t o r s h o w n i n

t h e s e d i a g r a m s m ay b e o f t h e o r d e r o f f i f t y t o o n e h u n d r e d t h o u s a n d o rm o r e c y c l e s p e r s e c o n d , d e p e n d i n g u p o n t h e f r e q u e n c y o f t h e m o d u l a t -

i n g c u r r e n t . An e l e c t r o m o t i v e f o r c e d e r i v e d f r o m t h i s o s c i l l a t o r i s

a p p l i e d i n l i k e p h a s e t o t h e g r i d o f a n a m p l i f i e r a n d b o t h g r i d s o f a b a l -a n c e d m o d u l a t o r . T h e p l a t e c i r c u i t s o f t h e m o d u l a t o r t u b e s a r e m a d e

n o n r e a c t i v e f o r t h e f r e q u e n c y a p p l i e d t o t h e i r g r i d s b y b a l a n c i n g o u t

t h e r e a c t a n c e o f t h e t r a n s f o r m e r p r i m a r i e s a s s h o w n . Th e p l a t e c u r -

6 9 2




r e n t s a r e t h e r e f o r e i n p h a s e w i t h t h e e l e c t r o m o t i v e f o r c e a p p l i e d t o t h e

g r i d . T h e s u c c e e d i n g a m p l i f i e r i s c o u p l e d t o t h e o u t p u t t r a n s f o r m e r b y

a c o i l w h o s e n a t u r a l p e r i o d i s h i g h c o m p a r e d t o t h e f r e q u e n c y o f t h e

m a s t e r o s c i l l a t o r a n d t h e e l e c t r o m o t i v e f o r c e a p p l i e d t o t h e g r i d o f t h i sa m p l i f i e r w h e n t h e m o d u l a t o r t u b e s a r e u n b a l a n c e d b y a m o d u l a t i n g

v o l t a g e a p p l i e d t o t h e s c r e e n g r i d s i s t h e r e f o r e s h i f t e d i n p h a s e n i n e t y

a s c i l l a t o r A m / / f / e r

W L i i l o / i p / / e r sg o , P ,1 a - s e

B a l a n c e d C / a n q / n q 5 i d B a n di o U l a o r D e v i c e ~ " A m p i e l

C o r r e c t / o nA m p / i f i e r

m o d u / a t / o n 'I n p u Jt

F i g . 1

d e g r e e s ( o r 2 7 0 d e g r e e s ) w i t h r e s p e c t t o t h e p h a s e o f t h e e l e c t r o m o t i v e

f o r c e a p p l i e d t o t h e g r i d s o f t h e b a l a n c e d m o d u l a t o r s . H e n c e i t f o l l o w st h a t t h e p h a s e o f t h e c u r r e n t s e x i s t i n g i n t h e p l a t e c i r c u i t o f t h e a m p l i -

f i e r o f t h e o u t p u t o f t h e b a l a n c e d m o d u l a t o r ( a t t h e p e a k o f t h e m o d u -

l a t i o n v o l t a g e ) i s e i t h e r n i n e t y d e g r e e s o r 2 7 0 d e g r e e s a p a r t f r o m t h ep h a s e o f t h e c u r r e n t e x i s t i n g i n t h e p l a t e c i r c u i t o f t h e a m p l i f i e r o f t h e

A r m p / / f / e r A m P i / f l e r

a s c i l l a t o r =r s

B a l a n c e d/ 1 - o d u l a t o r

I l o d l l l a t / o nI n p u t

F i g . 2

u n m o d u l a t e d m a s t e r o s c i l l a t o r c u r r e n t . T h e r e f o r e t h e v o l t a g e s w h i c h

t h e y d e v e l o p a c r o s s t h e c o m m o n r e s i s t a n c e l o a d w i l l b e n i n e t y d e g r e e sa p a r t .

T h e r e s u l t i n g e f f e c t o n t h e p h a s e o f t h e v o l t a g e d e v e l o p e d a c r o s s t h e

r e s i s t a n c e i n t h e p l a t e c i r c u i t s o f t h e s e t w o a m p l i f i e r s when m o d u l a t i o n

i s a p p l i e d , c o m p a r e d t o t h e p h a s e o f t h e v o l t a g e w h i c h w o u l d e x i s tt h e r e i n t h e a b s e n c e o f m o d u l a t i o n w i l l a p p e a r f r o m F i g . 3 . I t w i l l b e

o b s e r v e d f r o m t h e v e c t o r d i a g r a m s t h a t t h e p h a s e o f t h e v o l t a g e a c r o s s

6 9 3



A r m s t r o n g : F r e q u e n c y M o d u l a t i o n N o i s e R e d u c t i o n

t h e c o m m o n r e s i s t a n c e l o a d i s a l t e r n a t e l y a d v a n c e d a n d r e t a r d e d b yt h e c o m b i n a t i o n o f t h e m o d u l a t e d a n d u n m o d u l a t e d c o m p o n e n t s a n dt h a t t h e maximum p h a s e s h i f t i s g i v e n b y a n a n g l e w h o s e t a n g e n t i st h e sum o f t h e p e a k v a l u e s o f t h e t w o s i d e f r e q u e n c i e s d i v i d e d b y t h e

p e a k v a l u e o f t h e u n m o d u l a t e d c o m p o n e n t . By k e e p i n g t h i s a n g l e

i o d u / a t i n q V o / t a g e ( E / l F a i / / e d t o i l o d u l a t o r G r i d s )

f n m a d i d a t e d R . FM d U / l a t e a d R F -

S i d e F r e q u e n c yA A B A

. l l i e E e u n , C y <.| A 1 IC a r r i e r C a r r i e rC a r r i e r C a \ r r e r C a r r i e r

F i g . 3

s u f f i c i e n t l y s m a l l ( n o t g r e a t e r t h a n t h i r t y d e g r e e s ) i t may b e m a d es u b s t a n t i a l l y p r o p o r t i o n a l t o t h e a m p l i t u d e o f t h e t w o s i d e f r e q u e n c i e sa n d h e n c e t o t h e a m p l i t u d e o f t h e i n i t i a l m o d u l a t i n g c u r r e n t . 7 I t w i l lb e o b s e r v e d t h a t i f t h e a n g l e t h r o u g h w h i c h t h e p h a s e i s s h i f t e d b e t h e

s a m e f o r a l l f r e q u e n c i e s o f m o d u l a t i o n t h e n t h e r a t e o f i n c r e a s e o r d e -

I n p u t 7 0 H H G Fj j O 7 d u / a t o rF i g . - 4

c r e a s e o f t h e a n g l e w i l l b e p r o p o r t i o n a l t o t h e

f r e q u e n c yo f m o d u l a t i o n

a n d h e n c e t h e d e v i a t i o n i n f r e q u e n c y o f t h e t r a n s m i t t e d w a v e w i l l b e

p r o p o r t i o n a l t o t h e f r e q u e n c y o f t h e m o d u l a t i n g c u r r e n t . I n o r d e r t o

i n s u r e a f r e q u e n c y d e v i a t i o n w h i c h i s i n d e p e n d e n t o f t h e m o d u l a t i o n

7 F o r t h e l a r g e a n g u l a r d i s p l a c e m e n t s t h e r e w i l l b e a n a p p r e c i a b l e c h a n g e i na m p l i t u d e o f t h e c o m b i n e d c u r r e n t s a t d o u b l e t h e f r e q u e n c y o f t h e m o d u l a t i n gc u r r e n t . T h i s v a r i a t i o n i n a m p l i t u d e i s n o t o f p r i m a r y i m p o r t a n c e a n d i s r e -moved s u b s e q u e n t l y b y a l i m i t i n g p r o c e s s .

6 9 4




f r e q u e n c y i t i s n e c e s s a r y t h a t , f o r a c o n s t a n t i m p r e s s e d m o d u l a t i n g

e l e c t r o m o t i v e f o r c e , t h e a n g l e t h r o u g h w h i c h t h e p h a s e i s s h i f t e db e m a d e i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h e f r e q u e n c y o f t h e m o d u l a t i n g

c u r r e n t . T h i s i s a c c o m p l i s h e d b y m a k i n g t h e a m p l i f i c a t i o n o f t h e i n -p u t a m p l i f i e r i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o f r e q u e n c y b y m e a n s o f t h e c o r -r e c t i o n n e t w o r k s h o w n i n F i g . 4 . T h e n e t w o r k c o n s i s t s o f a h i g h r e -s i s t a n c e i n s e r i e s w i t h a c a p a c i t y w h o s e i m p e d e n c e f o r t h e l o w e s t f r e -q u e n c y o f m o d u l a t i o n i s r e l a t i v e l y s m a l l w i t h r e s p e c t t o t h e s e r i e s r e -s i s t a n c e . T h e v o l t a g e d e v e l o p e d a c r o s s t h e c a p a c i t y w h i c h e x c i t e s t h es u c c e e d i n g a m p l i f i e r s t a g e i s t h e r e f o r e i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o f r e -

q u e n c y a n d h e n c e i t f o l l o w s t h a t t h e a n g l e t h r o u g h w h i c h t h e c u r r e n ti s a d v a n c e d o r r e t a r d e d b e c o m e s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e a m p l i -

t u d e o f t h e m o d u l a t i n g c u r r e n t a n d i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o i t s f r e -q u e n c y . T h e r e s u l t i n g p h a s e s h i f t m u s t b e m u l t i p l i e d a g r e a t manyt i m e s b e f o r e a f r e q u e n c y m o d u l a t e d c u r r e n t w h i c h c a n b e u s e f u l l y e m -

p l o y e d i s p r o d u c e d . T h i s w i l l b e c l e a r f r o m a n e x a m i n a t i o n o f t h e r e -q u i r e m e n t s o f a c i r c u i t o v e r w h i c h i t i s d e s i r e d t o t r a n s m i t a f r e q u e n c y

r a n g e f r o m t h i r t y t o 1 0 , 0 0 0 c y c l e s . S i n c e t h e l o w e s t f r e q u e n c y i s l i m i t e d

t o a p h a s e s h i f t o f t h i r t y d e g r e e s i t f o l l o w s t h a t f o r 1 0 , 0 0 0 c y c l e s t h ep h a s e s h i f t w i l l b e b u t 0 . 0 9 d e g r e e . T h e minimum p h a s e s h i f t f o r 1 0 0

p e r c e n t m o d u l a t i o n o f t h e t r a n s m i t t e d w a v e i s r o u g h l y f o r t y - f i v e d e -g r e e s . A f r e q u e n c y m u l t i p l i c a t i o n o f 5 0 0 t i m e s i s r e q u i r e d , t h e r e f o r e , t op r o d u c e a w a v e w h i c h i s f u l l y m o d u l a t e d 8 a n d c a p a b l e o f b e i n g e f f e c -t i v e l y h a n d l e d b y t h e r e c e i v e r i n t h e p r e s e n c e o f d i s t u r b i n g c u r r e n t s .

U n d e r o r d i n a r y c o n d i t i o n s t h i s m u l t i p l i c a t i o n o f f r e q u e n c y c a n b e

r e a l i z e d w i t h o u t l o s s o f l i n e a r i t y b y a s e r i e s o f d o u b l e r s a n d t r i p l e r so p e r a t e d a t s a t u r a t i o n p r o v i d e d t h e c o r r e c t l i n k a g e c i r c u i t s b e t w e e n

t h e t u b e s a r e e m p l o y e d . W h e r e h o w e v e r t h e w i d e b a n d f r e q u e n c y

s w i n g w h i c h w i l l b e d e s c r i b e d s u b s e q u e n t l y i n t h i s p a p e r i s e m p l o y e du n e x p e c t e d d i f f i c u l t i e s a r i s e . T h e s e a l s o w i l l b e d e a l t w i t h s u b s e q u e n t l y .

From t h e f o r e g o i n g d e s c r i p t i o n i t w i l l b e s e e n t h a t t h i s m e t h o d o fo b t a i n i n g f r e q u e n c y m o d u l a t i o n c o n s i s t s i n p r o d u c i n g i n i t i a l l y p h a s em o d u l a t i o n i n w h i c h t h e p h a s e s h i f t i s i n v e r s e l y p r o p o r t i o A a l t o t h e

f r e q u e n c y o f m o d u l a t i o n a n d c o n v e r t i n g t h e p h a s e m o d u l a t e d c u r r e n t

i n t o a f r e q u e n c y m o d u l a t e d o n e b y s u c c e s s i v e m u l t i p l i c a t i o n s o f t h e

p h a s e s h i f t . . T h e f r e q u e n c y s t a b i l i t y , o f c o u r s e , i s t h e s t a b i l i t y a t t a i n -a b l e b y a c r y s t a l c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r a n d t h e s y m m e t r y o f t h e d e v i a -t i o n m ay b e m a d e s u b s t a n t i a l l y p e r f e c t b y c o m p e n s a t i n g s u c h a s y m -m e t r i c a l a c t i o n i n t h e s y s t e m a s m ay o c c u r . W i t h t h e m e t h o d o f p h a s e

8 O n e i n w h i c h t h e s i d e f r e q u e n c i e s a r e s u f f i c i e n t l y l a r g e w i t h r e s p e c t t o t h ec a r r i e r t o make i t p o s s i b l e t o p r o d u c e a t t h e r e c e i v e r 1 0 0 p e r c e n t m o d u l a t i o ni n a m p l i t u d e , w i t h o u t t h e u s e o f e x p e d i e n t s w h i c h a f f e c t u n f a v o r a b l y t h e s i g n a l -t o - n o i s e r a t i o .

6 9 5




s h i f t i n g s h o w n i n F i g . 2 t h e r e i s a n a s y m m e t r y w h i c h i s o f i m p o r t a n l c ew h e n t h e f r e q u e n c y o f m o d u l a t i o n i s h i g h c o m p a r e d t o t h e m a s t e r

o s c i l l a t o r f r e q u e n c y . I t o c c u r s i n t h e p l a t e t r a n s f o r m e r o f t h e b a l a n c e d

m o d u l a t o r . Th e p l a t e c i r c u i t s o f t h e s e t u b e s a r e s u b s t a n t i a l l y a p e r i o d i c

a n d c o n s e q u e n t l y t h e a m p l i t u d e s o f t h e u p p e r a n d l o w e r s i d e f r e -q u e n c i e s a r e a p p r o x i m a t e l y e q u a l a n d f r o m t h i s i t f o l l o w s t h a t t h e

e l e c t r o m o t i v e f o r c e s i n d u c e d i n t h e s e c o n d a r y a r e d i r e c t l y p r o p o r -

t i o n a l t o t h e v a l u e s o f t h e s e f r e q u e n c i e s . W h e r e t h e m a s t e r o s c i l l a t o rf r e q u e n c y i s 5 0 , 0 0 0 c y c l e s a n d a f r e q u e n c y o f m o d u l a t i o n o f 1 0 , 0 0 0

c y c l e s i s a p p l i e d , t h e u p p e r s i d e f r e q u e n c y m ay b e f i f t y p e r c e n t g r e a t e r

t h a n t h e l o w e r . T h i s i n e q u a l i t y m ay b e c o m p e n s a t e d b y a r e s i s t a n l c e -c a p a c i t y n e t w o r k i n t r o d u c e d s u b s e q u e n t t o t h e p o i n t a t w h i c h t h e

c o m b i n a t i o n o f c a r r i e r a n d s i d e f r e q u e n c i e s i s e f f e c t e d b u t p r i o r t o a n y

p o i n t a t w h i c h l o s s o f l i n e a r i t y o f a m p l i t u d e o c c u r s . T h e l e v e l i n t h ea m p l i f i e r s a h e a d o f t h e c o m p e n s a t i n g n e t w o r k m u s t b e k e p t s u f f i c i e n t l yl o w s o t h a t t h e o p e r a t i o n o f t h e s y s t e m i s l i n e a r . A f t e r t h e s i d e f r e -q u e n c i e s a r e e q u a l i z e d a m p l i t u d e l i n e a r i t y c e a s e s t o b e o f i m p o r t a n i c e .

T h e p e r f o r m a n c e o f t r a n s m i t t e r s o p e r a t i n g o n t h i s p r i n c i p l e h a s

b e e n i n c o m p l e t e a c c o r d w i t h e x p e c t a t i o n s . W l h i l e t h e a r r a n g e m e n i t sm ay s e e m c o m p l e x a n d r e q u i r e a l a r g e a m o u n t o f a p p a r a t u s t h e c o m -

p l e x i t y i s m e r e l y t h a t o f d e s i g n , n o t o f o p e r a t i o n . T h e c o m p l e t e a r -r a n g e m e n t , u p t o t h e l a s t f e w m u l t i p l i f i e r s t a g e s m ay b e c a r r i e d o u t

m o s t e f f e c t i v e l y w i t h r e c e i v i n g t y p e t u b e s , t h e s e l a s t m u l t i p l i e r s t a g e sc o n s i s t i n g o f p o w e r t y p e p e n t o d e s f o r r a i s i n g t h e l e v e l t o t h a t n e c e s -

s a r y t o e x c i t e t h e u s u a l p o w e r a m p l i f i e r s .

THE R E C E I V I N G S Y S T E M

T h e m o s t d i f f i c u l t o p e r a t i o n i n t h e r e c e i v i n g s y s t e m i s t h e t r a n s l a -t i o n o f t h e c h a n g e s i n t h e f r e q u e n c y o f t h e r e c e i v e d s i g n a l i n t o a

c u r r e n t w h i c h i s a r e p r o d u c t i o n o f t h e o r i g i n a l m o d u l a t i n g c u r r e n t .T h i s i s p a r t i c u l a r l y t r u e i n t h e c a s e o f t h e t r a n s m i s s i o n o f h i g h f i d e l i t yb r o a d c a s t i n g . I t i s , o f c o u r s e , e s s e n t i a l t h a t t h e t r a n s l a t i o n b e m a d el i n e a r l y t o p r e v e n t t h e g e n e r a t i o n o f h a r m o n i c s b u t i t m u s t a l s o b e

a c c o m p l i s h e d i n s u c h a manner t h a t t h e s i g n a l i n g c u r r e n t i s n o t p l a c e d

a t a d i s a d v a n t a g e w i t h r e s p e c t t o t h e v a r i o u s t y p e s o f d i s t u r b a n c e s t o

w h i c h r a d i o r e c e p t i o n i s s u b j e c t . I n t h e p a r t i c u l a r t y p e o f t r a n s l a t i o nd e v e l o p e d f o r t h i s p u r p o s e w h i c h e m p l o y s t h e m e t h o d o f c a u s i n g t h ec h a n g e s i n f r e q u e n c y t o e f f e c t c h a n g e s i n a m p l i t u d e w h i c h a r e t h e n

r e c t i f i e d b y l i n e a r d e t e c t o r s , i t i s e s s e n t i a l t h a t f o r t h e maximum d e v i a -

t i o n o f t h e t r a n s m i t t e d f r e q u e n c y t h e r e s h a l l b e a s u b s t a n t i a l a m p l i t u d e

m o d u l a t i o n o f t h e r e c e i v e d w a v e . A t f i r s t ; s i g h t i t m i g h t a p p e a r t h a t

1 0 0 p e r c e n t o r c o m p l e t e m o d u l a t i o n w o u l d b e t h e i d e a l , b u t t h e r e a r e

6 9 6




o b j e c t i o n s t o a p p r o a c h i n g t h i s l i m i t t o o c l o s e l y . I t w i l l , h o w e v e r , b e

c l e a r t h a t w h e r e t h e t r a n s l a t i o n i s s u c h t h a t o n l y a f e w p e r c e n t

a m p l i t u d e m o d u l a t i o n r e s u l t s f r o m t h e maximum d e v i a t i o n o f t h e f r e -q u e n c y o f t h e t r a n s m i t t e d wave t h e r e c e i v e r i s h o p e l e s s l y h a n d i c a p p e d

w i t h r e s p e c t t o a m p l i t u d e d i s t u r b a n c e s . T h i s i s t r u e b e c a u s e e v e n w h e n

t h e l e v e l o f t h e v o l t a g e a p p l i e d t o t h e c o n v e r s i o n s y s t e m i s k e p t c o n -

s t a n t b y a c u r r e n t l i m i t i n g d e v i c e o r a u t o m a t i c v o l u m e c o n t r o l t h e r es t i l l r e m a i n s t h o s e i n t e r v a l s w h e r e i n t h e i n c o m i n g d i s t u r b a n c e s a r r i v ei n t h e p r o p e r p h a s e t o n e u t r a l i z e t h e s i g n a l i n g c u r r e n t i n t h e d e t e c t o r ,e f f e c t i n g t h e r e b y s u b s t a n t i a l l y c o m p l e t e m o d u l a t i o n o f t h e r e c t i f i e d

c u r r e n t o r t h e i n t e r v a l s w h e r e i n t h e d i s t u r b i n g c u r r e n t s t h e m s e l v e se f f e c t g r e a t e r a m p l i t u d e c h a n g e s t h a n t h e s i g n a l i t s e l f b y c r o s s m o d u l a -

t i o n o f i t s f r e q u e n c y .

r o L f : t A m p l l l l e r

A m p l i i e r X A m p l i f i e rIte

o~~~~~~~~~~~~~~~~0 o

F i g . 5

An a r r a n g e m e n t i n w h i c h l i n e a r c o n v e r s i o n c a n b e e f f e c t e d w i t h o u t

h a n d i c a p p i n g t h e s y s t e m w i t h r e s p e c t t o a m p l i t u d e d i s t u r b a n c e s i si l l u s t r a t e d d i a g r a m m a t i c a l l y i n F i g . 5 . Two b r a n c h c i r c u i t s e a c h c o n -

t a i n i n g r e s i s t a n c e , c a p a c i t y , a n d i n d u c t a n c e i n s e r i e s a s s h o w n a r e c o n -

n e c t e d t o t h e i n t e r m e d i a t e - f r e q u e n c y a m p l i f i e r o f a s u p e r h e t e r o d y n e

a t s o m e s u i t a b l e f r e q u e n c y . O n e c a p a c i t y a n d i n d u c t a n c e c o m b i n a t i o n

i s made n o n r e a c t i v e f o r o n e e x t r e m e o f t h e f r e q u e n c y b a n d w h i c h t h e

s i g n a l c u r r e n t t r a v e r s e s a n d t h e o t h e r c a p a c i t y a n d i n d u c t a n c e c o m -

b i n a t i o n i s made n o n r e a c t i v e f o r t h e o t h e r e n d o f t h e b a n d . T h e r e s i s t -a n c e s a r e c h o s e n s u f f i c i e n t l y h i g h t o m a i n t a i n t h e c u r r e n t c o n s t a n t o v e r

t h e f r e q u e n c y r a n g e o f t h e b a n d ; i n f a c t , s u f f i c i e n t l y h i g h t o make e a c h

b r a n c h s u b s t a n t i a l l y a p e r i o d i c . T h e r e a c t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s t a k e na c r o s s e a c h c a p a c i t y a n d i n d u c t a n c e c o m b i n a t i o n w i l l b e a s i l l u s t r a t e di n F i g . 6 b y c u r v e s A a n d B . S i n c e t h e r e s i s t a n c e s i n s e r i e s w i t h t h e

r e a c t a n c e c o m b i n a t i o n s a r e s u f f i c i e n t t o k e e p t h e c u r r e n t c o n s t a n t

t h r o u g h o u t t h e f r e q u e n c y b a n d i t f o l l o w s t h a t t h e v o l t a g e s d e v e l o p e da c r o s s e a c h o f t h e t w o c o m b i n a t i o n s w i l l b e p r o p o r t i o n a l t o t h e i r r e -a c t a n c e s a s i s i l l u s t r a t e d i n c u r v e s A ' a n d B ' . T h e t w o v o l t a g e s a r e

6 9 7



6 9 8 A r m s t r o n g : F r e q u e n c y M o d u l a t i o n N o i s e R e d u c t i o n

a p p l i e d r e s p e c t i v e l y t o t h e t w o e q u a l a p e r i o d i c a m p l i f i e r s , e a c h o fw h i c h i s c o n n e c t e d t o a l i n e a r r e c t i f i e r . T h e r e c t i f i e r s a r e i n s e r i e s w i t h

e q u a l o u t p u t t r a n s f o r m e r s w h o s e s e c o n d a r i e s a r e s o p o l e d t h a t c h a n g e s

i n t h e r e c t i f i e r c u r r e n t s r e s u l t i n g f r o m a c h a n g e i n t h e f r e q u e n c y o f t h e

r e c e i v e d s i g n a l p r o d u c e a d d i t i v e e l e c t r o m o t i v e f o r c e s i n t h e i r s e c o n d -

a r i e s . S i n c e a m p l i f i e r s a n d r e c t i f i e r s a r e l i n e a r t h e o u t p u t c u r r e n t s w i l lf o l l o w t h e a m p l i t u d e v a r i a t i o n s c r e a t e d b y t h e a c t i o n o f t h e c a p a c i t y -

i n d u c t a n c e c o m b i n a t i o n s . W h i l e t h e v a r i a t i o n i n r e a c t a n c e i s n o t

l i n e a r w i t h r e s p e c t t o t h e c h a n g e o f f r e q u e n c y , p a r t i c u l a r l y w h e r e t h e

w i d t h o f t h e b a n d i s a s u b s t a n t i a l p e r c e n t a g e o f t h e f r e q u e n c y a t

w h i c h t h e o p e r a t i o n t a k e s p l a c e , a s a p r a c t i c a l m a t t e r , b y t h e p r o p e rc h o i c e o f v a l u e s t o g e t h e r w i t h s h u n t s o f h i g h r e s i s t a n c e o r r e a c t a n c e

A+

~ A '

F , F r 0 F 2 F r e q u e n 1 C Y

F i g . 6

t h e s e c h a r a c t e r i s t i c s m ay b e r e n d e r e d s u f f i c i e n t l y s t r a i g h t w i t h i n t h ew o r k i n g r a n g e t o m e e t t h e s e v e r e s t r e q u i r e m e n t s o f h i g h f i d e l i t y b r o a d -

c a s t i n g . T h e o p e r a t i o n o f t h e s y s t e m i s a p e r i o d i c a n d c a p a b l e o f e f f e c t -i n g 1 0 0 p e r c e n t m o d u l a t i o n i f d e s i r e d , t h i s l a s t d e p e n d i n g on t h es e p a r a t i o n o f t h e t w o n o n r e a c t i v e p o i n t s w i t h r e s p e c t t o t h e f r e q u e n i c ys w i n g . G e n e r a l l y t h e s e t t i n g o f t h e n o n r e a c t i v e f r e q u e n c y p o i n t s s h o u l d

b e s o m e w h a t b e y o n d t h e r a n g e t h r o u g h w h i c h t h e f r e q u e n c y i s s w u n g .

T h e r e i s s h o w n i n F i g . 7 an a l t e r n a t i v e a r r a n g e m e n t o f d e r i v i n gt h e s i g n a l f r o m t h e c h a n g e s i n f r e q u e n c y o f t h e r e c e i v e d wave w h i c hh a s c e r t a i n a d v a n t a g e s o f s y m m e t r y o v e r t h e m e t h o d j u s t d e s c r i b e d .I n t h i s a r r a n g e m e n t a s i n g l e c a p a c i t y - i n d u c t a n c e c o m b i n a t i o n w i t h t h e

n o n r e a c t i v e p o i n t i n t h e c e n t e r o f t h e f r e q u e n c y b a n d i s u s e d a n d t h er e c t i f i e r s a r e p o l a r i z e d b y a c u r r e n t o f c o n s t a n t a m p l i t u d e d e r i v e d f r o m

t h e r e c e i v e d c u r r e n t . I n t h i s w a y , b y p r o p e r l y p h a s i n g t h e p o l a r i z i n gc u r r e n t , w h i c h i s i n e f f e c t a s y n c h r o n o u s h e t e r o d y n e , d i f f e r e n t i a l r e c t i -f y i n g a c t i o n can b e o b t a i n e d . I n F i g . 7 t h e a m p l i f i e d o u t p u t o f t h e

r e c e i v e r i s a p p l i e d a c r o s s t h e s i n g l e s e r i e s c i r c u i t c o n s i s t i n g o f r e s i s t a n c eR , c a p a c i t y C , a n d i n d u c t a n c e L . T h e r e a c t a n c e o f C a n d L a - r e e q u a l




f o r t h e m i d - f r e q u e n c y p o i n t o f t h e b a n d a n d t h e r e a c t a n c e c u r v e i sa s i l l u s t r a t e d i n A o f F i g . 8 . A t f r e q u e n c i e s a b o v e t h e n o n r e a c t i v e

O u t p U t

F i g . 7

p o i n t t h e c o m b i n a t i o n a c t s a s a n i n d u c t a n c e ; a t f r e q u e n c i e s b e l o w t h en o n r e a c t i v e p o i n t a s a c a p a c i t y a n d t h e p h a s e o f t h e v o l t a g e d e -v e l o p e d a c r o s s t h e c o m b i n a t i o n w i t h r e s p e c t t o t h e c u r r e n t t h r o u g h i t

±

A R e a c t a n c e

V o l t a q eB a c r o 5 sL C

C u r r e n tC i n D /

C u r r e n ti n A 2

. - W o r A k n q R a n q e -

F i g . 8

d i f f e r s , t h e r e f o r e , b y 1 8 0 d e g r e e s a b o v e a n d b e l o w t h e n o n r e a c t i v e

p o i n t . S i n c e t h e c u r r e n t t h r o u g h t h e c i r c u i t i s m a i n t a i n e d c o n s t a n t o v e r

t h e w o r k i n g r a n g e b y t h e r e s i s t a n c e R a n d s i n c e t h e r e s i s t a n c e o f t h e

6 9 9




c a p a c i t y C a n d i n d u c t a n c e L m ay b e made v e r y l o w t h e e l e c t r o m o t i v e

f o r c e d e v e l o p e d a c r o s s C a n d L i s o f t h e f o r m s h o w n i n c u r v e B . T h i sc u r v e l i k e w i s e r e p r e s e n t s t h e v a r i a t i o n i n v o l t a g e w i t h v a r i a t i o n i n f r e -q u e n c y w h i c h i s a p p l i e d t o t h e g r i d s o f t h e a m p l i f i e r s a n d l e v e n t u i a l l yt o t h e t w o r e c t i f i e r s D 1 a n d D 2 .

T h e h e t e r o d y n i n g o r p o l a r i z i n g v o l t a g e i s o b t a i n e d b y t a k i n g t h e

d r o p a c r o s s t h e r e s i s t a n c e R 1 , a m p l i f y i n g i t , c h a n g i n g i t s p h a s e t h r o u g h

n i n e t y d e g r e e s a n d a p p l y i n g t h e a mp l i f i e d v o l t a g e t o t h e s c r e e n g r i d so f t h e a m p l i f i e r s i n o p p o s i t e p h a s e . T h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h i s a m p l i f y -

i n g a n d p h a s e c h a n g i n g s y s t e m m u s t b e f l a t o v e r t h e w o r k i n g r a n g e .U n d e r t h e s e c o n d i t i o n i s t h e s i g n a l i n g a n d h e t e r o d y n i n g v o l t a g e s a r ee x a c t l y i n p h a s e i n o n e r e c t i f i e r a n d 1 8 0 d e g r e e s o u t o f p h a s e i n t h e

o t h e r , a n d h e n c e f o r a v a r i a b l e s i g n a l i n g f r e q u e n c y t h e r e c t i f y i n g c h a r -a c t e r i s t i c s a r e a s s h o w n i n c u r v e s C a n d D t h e d e t e c t o r o u t p u t s b e i n g

c u m u l a t i v e l y c o m b i n e d f o r f r e q u e n c y c h a n g e s . A d j u s t m e n i t o f t h e r e l a -t i v e a m p l i t u d e s o f t h e s i g n a l i n g a n d p o l a r i z i n g v o l t a g e s i n t h e r e c t i f i e rc o n t r o l s t h e d e g r e e o f a m p l i t u d e m o d u l a t i o n p r o d u c e d f r o m 1 0 0 p e r c e n t

d o w n t o a n y d e s i r e d v a l u e .

PART I IW i t h t h e f o r e g o i n g d e s c r i p t i o n o f t h e i n s t r u m e n t a l i t i e s f o r t r a n s -

m i t t i n g a n d r e c e i v i n g f r e q u e n c y m o d u l a t e d w a v e s i t i s now i n o r d e r

t o c o n s i d e r t h e m a i n o b j e c t o f t h e p a p e r ; t h e m e t h o d o f r e d u c i n g d i s -t u r b a n c e s a n d t h e p r a c t i c a l r e s u l t s o b t a i n e d b y i t s u s e .

METHOD O F R E D U C I N G D I S T U R B A N C E S

T h e b a s i s o f t h e m e t h o d c o n s i s t s i n i n t r o d u c i n g i n t o t h e t r a n s m i t t e d

w a v e a

c h a r a c t e r i s t i cw h i c h c a n n o t b e r e p r o d u c e d i n d i s t u r b a n c e s

o fn a t u r a l o r i g i n a n d u t i l i z i n g a r e c e i v i n g m e a n s w h i c h i s s u b s t a n t i a l l y n o t

r e s p o n s i v e t o t h e c u r r e n t s r e s u l t i n g f r o m t h e o r d i n a r y t y p e s o f d i s -t u r b a n c e s a n d f u l l y r e s p o n s i v e o n l y t o t h e t y p e o f wave w h i c h h a s t h e

s p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c .T h e m e t h o d t o b e d e s c r i b e d u t i l i z e s a new p r i n c i p l e i n r a d i o s i g n a l -

i n g t h e a p p l i c a t i o n o f w h i c h f u r n i s h e s a n i n t e r e s t i n g c o n f l i c t w i t h o n e

w h i c h h a s b e e n a g u i d e i n t h e a r t f o r many y e a r s ; i . e . , t h e b e l i e f t h a t

t h e n a r r o w e r t h e b a n d o f t r a n s m i s s i o n t h e b e t t e r t h e s i g n a l - t o - n o i s e

r a t i o . T h a t p r i n c i p l e i s n o t o f g e n e r a l a p p l i c a t i o n . I n t h e p r e s e n tm e t h o d a n o p p o s i t e r u l e a p p l i e s .

I t a p p e a r s t h a t t h e o r i g i n o f t h e b e l i e f t h a t t h e e n e r g y o f t h e d i s -t u r b a n c e c r e a t e d i n a r e c e i v i n g s y s t e m b y random i n t e r f e r e n c e d e -

p e n d e d o n t h e b a n d w i d t h g o e s b a c k a l m o s t t o t h e b e g i n n i n g o f r a d i o .I n t h e d a y s o f s p a r k t e l e g r a p h y i t w a s o b s e r v e d t h a t " l o o s e c o u -

p l i n g " o f t h e c o n v e n t i o n a l t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r c i r c u i t s p r o d u c e d

7 0 0



A r m s t r o n q : F r e q u e n c y M o d u l a t i o n - N o i s e R e d u c t i o n

a " s h a r p e r w a v e " a n d t h a t i n t e r f e r e n c e f r o m l i g h t n i n g d i s c h a r g e s , t h e

p r i n c i p l e " s t a t i c " o f t h o s e d a y s o f i n s e n s i t i v e a n d n o n a m p l i f y i n g r e -c e i v e r s w a s d e c r e a s e d . F u r t h e r r e d u c t i o n i n i n t e r f e r e n c e o f t h i s s o r to c c u r r e d w h e n c o n t i n u o u s - w a v e t r a n s m i t t e r s d i s p l a c e d t h e s p a r k a n d

w h e n r e g e n e r a t i o n n a r r o w e d t h e b a n d w i d t h o f t h e r e c e i v i n g s y s t e m .

I t w a s o b s e r v e d , h o w e v e r , t h a t " e x c e s s i v e r e s o n a n c e " m u s t n o t b e

e m p l o y e d e i t h e r i n t e l e g r a p h i c o r m o r e p a r t i c u l a r l y i n t e l e p h o n i c s i g -n a l i n g o r t h e k e y i n g a n d s p e e c h w o u l d b e c o m e d i s t o r t e d . I t w a s c o n -

c l u d e d i n a q u a l i t a t i v e way t h a t t h e r e w a s a c e r t a i n " s e l e c t i v i t y "w h i c h g a v e t h e b e s t r e s u l t s .

I n 1 9 2 5 t h e m a t t e r w a s p l a c e d o n a q u a n t i t a t i v e b a s i s b y C a r s o n 9w h e r e i n a m a t h e m a t i c a l t r e a t m e n t o f t h e b e h a v i o r o f s e l e c t i v e c i r -c u i t s w h e n s u b j e c t e d t o i r r e g u l a r a n d r a n d o m i n t e r f e r e n c e ( w i t h p a r -

t i c u l a r r e f e r e n c e t o " s t a t i c " ) , o n t h e b a s i s o f c e r t a i n a s s u m p t i o n s , t h e

p r o p o s i t i o n w a s e s t a b l i s h e d t h a t " i f t h e s i g n a l i n g s y s t e m r e q u i r e s t h e

t r a n s m i s s i o n o f t h e b a n d o f f r e q u e n c i e s c o r r e s p o n d i n g t o t h e i n t e r v a lW 2 - w 1 a n d i f t h e s e l e c t i v e c i r c u i t i s e f f i c i e n t l y d e s i g n e d t o t h i s e n d , t h e n

t h e mean s q u a r e i n t e r f e r e n c e c u r r e n t i s p r o p o r t i o n a l t o t h e f r e q u e n c y

b a n d w i d t h ( W 2 - c 1 ) / 2 7 r .H a z e l t i n e " 0 p o i n t e d o u t t h a t w h e n a d e t e c t o r w a s a d d e d t o s u c h a

s y s t e m a n d a c a r r i e r o f g r e a t e r l e v e l t h a n t h e i n t e r f e r e n c e c u r r e n t s w a s

p r e s e n t , t h a t f o r a u r a l r e c e p t i o n o n l y t h o s e c o m p o n e n t s o f t h e i n t e r -f e r i n g c u r r e n t l y i n g w i t h i n a u d i b l e r a n g e o f t h e c a r r i e r f r e q u e n c y w e r e

o f i m p o r t a n c e a n d t h a t C a r s o n ' s t h e o r y s h o u l d b e s u p p l e m e n t e d b y t h eu s e o f a f a c t o r e q u a l t o t h e r e l a t i v e s e n s i t i v i t y o f t h e e a r a t d i f f e r e n tf r e q u e n c i e s .

W i t h t h e d i s c o v e r y o f s h o t e f f e c t a n d t h e r m a l a g i t a t i o n n o i s e s a n d

t h e s t u d y o f t h e i r e f f e c t o n t h e l i m i t o f a m p l i f i c a t i o n q u a n t i t a t i v e r e l a -t i o n s a k i n t o t h o s e e n u n c i a t e d b y C a r s o n w i t h r e s p e c t t o s t a t i c w e r e

f o u n d t o e x i s t .J o h n s o n , ' 1 r e p o r t i n g t h e d i s c o v e r y o f t h e e l e c t r o m o t i v e f o r c e d u e

t o t h e r m a l a g i t a t i o n a n d c o n s i d e r i n g t h e p r o b l e m o f r e d u c i n g t h e n o i s ei n a m p l i f i e r s c a u s e d t h e r e b y , p o i n t s o u t t h a t f o r t h i s t y p e o f d i s t u r b -a n c e t h e t h e o r y i n d i c a t e s , a s i n t h e C a r s o n t h e o r y , t h a t t h e f r e q u e n c y

r a n g e o f t h e s y s t e m s h o u l d b e made n o g r e a t e r t h a n i s e s s e n t i a l f o r t h e

p r o p e r t r a n s m i s s i o n o f t h e a p p l i e d i n p u t v o l t a g e , t h a t w h e r e a v o l t a g eo f c o n s t a n t f r e q u e n c y a n d a m p l i t u d e i s u s e d o n e m ay g o t o e x t r e m e s i n

I J . R . C a r s o n , " S e l e c t i v e c i r c u i t s a n d s t a t i c i n t e r f e r e n c e , " B e l l S y s . T e c h .J o u r . , v o l . 4 , p . 2 6 5 , ( 1 9 2 5 ) .

1 0 L . A . H a z e l t i n e , D i s c u s s i o n o n " T h e s h i e l d e d n e u t r o d y n e r e c e i v e r , "P R O C . I . R . E . , v o l . 1 4 , p p . 4 0 8 , 4 0 9 ; J u n e , ( 1 9 2 6 ) .

1 1 J . B . J o h n s o n , " T h e r m a l a g i t a t i o n o f e l e c t r i c i t y i n c o n d u c t o r s , P h y s . R e v . ,v o l . 3 2 , n o . 1 , J u l y , ( 1 9 2 6 ) .

7 0 1




m a k i n g t h e s y s t e m s e l e c t i v e a n d t h e r e b y p r o p o r t i o n a t e l y r e d u c i n g t h e

n o i s e , b u t t h a t w h e n t h e a p p l i e d v o l t a g e v a r i e s i n f r e q u e n c y o r a m n p l i -t u d e t h e s y s t e m m u s t h a v e a f r e q u e n c y r a n g e w h i c h t a k e s e a t r e o f t h e s e

v a r i a t i o n s a n d t h e p r e s e n c e o f a c e r t a i n a m o u n t o f n l o i s e m u s t b e a c -c e p t e d .

B a l l a n t i n e 1 2 i n a c l a s s i c a l p a p e r d i s c u s s i n g t h e r a n d o m i n t e r f e r e n i c ec r e a t e d i n r a d i o r e c e i v e r s b y s h o t a n d t h e r m a l e f f e c t s o b t a i n e d a c o m -

p l e t e e x p r e s s i o n f o r t h e n o i s e o u t p u t . 1 3

J o h n s o n a n d L l e w e l l y n , 1 4 i n a p a p e r d e a l i n g g e n e r a l l y w i t h t h el i m i t s t o a m p l i f i c a t i o n , p o i n t o u t t h a t i n a p r o p e r l y d e s i g n e d a m p l i f i e r

t h e l i m i t r e s i d e s i n t h e r m a l a g i t a t i o n i n t h e i n p u t c i r c u i t t o t h e a m p l i -f i e r , t h a t t h e p o w e r o f t h e d i s t u r b a n c e i n t h e o u t p u t o f t h e a m p l i f i e ri s p r o p o r t i o n a l t o i t s f r e q u e n c y r a n g e a n d t h a t t h i s , t h e o n l y c o n t r o l l a -b l e f a c t o r i n t h e n o i s e e q u a t i o n , s h o u l d b e n o g r e a t e r t h a n i s n e e d e d f o rt h e t r a n s m i s s i o n o f t h e s i g n a l . A s i m i l a r c o n c l u s i o n i s r e a c h e d i n t h e

c a s e o f a d e t e c t o r c o n n e c t e d t o t h e o u t p u t o f a r a d i o - f r e q u e n c y a m p l i -

f i e r a n d s u p p l i e d w i t h a s i g n a l c a r r i e r .I t i s n ow o f i n t e r e s t t o c o n s i d e r w h a t h a p p e n s i n a l i n e a r d e t e c t o r

c o n n e c t e dt o t h e

o u t p u t

o fa w i d e b a n d

a m p l i f i e rw h i c h

a m p l i f i e su n i f o r m l y t h e r a n g e f r o m 3 0 0 t o 5 0 0 k i l o c y c l e s . A s s u m e t h a t t h e

a m p l i f i c a t i o n b e s u f f i c i e n t l y g r e a t t o r a i s e t h e v o l t a g e d u e t o t h e r m a l

a g i t a t i o n a n d s h o t e f f e c t t o a p o i n t s u f f i c i e n t t o p r o d u c e s t r a i g h t - l i n er e c t i f i c a t i o n a n d t h a t n o s i g n a l i s b e i n g r e c e i v e d . U n d e r t h e s e c o n d i -

t i o n s t h e f r e q u e n c i e s f r o m a l l p a r t s o f t h e s p e c t r u m b e t w e e n 3 0 0 a n d

5 0 0 k i l o c y c l e s b e a t t o g e t h e r t o c o n t r i b u t e i n t h e o u t p u t o f t h e d e t e c -

t o r t o t h e r o u g h h i s s i n g t o n e w i t h w h i c h t h e a r t i s f a m i l i a r . Th e s p e c -t r u m o f f r e q u e n c i e s i n t h e r e c t i f i e d o u t p u t r u n s f r o m s o m e v e r y l o w

v a l u e w h i c h i s d u e t o a d j a c e n t c o m p o n e n t s t h r o u g h o u t t h e r a n g eb e a t i n g w i t h o n e a n o t h e r t o t h e h i g h v a l u e o f 2 0 0 k i l o c y c l e s c a u s e d

b y t h e i n t e r f e r e n c e s o f t h e e x t r e m e s o f t h e b a n d .

I t i s i m p o r t a n t t o n o t e t h a t a l l p a r t s o f t h e 3 0 0 - t o 5 0 0 - k i l o c y c l es p e c t r u m c o n t r i b u t e t o t h e p r o d u c t i o n i n t h e d e t e c t o r o u t p u t o f t h o s e

f r e q u e n c i e s w i t h w h i c h w e a r e p a r t i c u l a r l y i n t e r e s t e d t h o s e l y i n gw i t h i n t h e a u d i b l e r a n g e .

1 2 S t u a r t B a l l a n t i n e , " F l u c t u a t i o n n o i s e i n r a d i o r e c e i v e r s , " P R O C . I . R . E . ,

v o l . 1 8 , p p . 1 3 7 7 - 1 3 8 7 ; A u g u s t , ( 1 9 3 0 ) .1 3 B a l l a n t i n e e x p r e s s e d h i s r e s u l t a s f o l l o w s : " I n a r a d i o r e c e i v e r e m p l o y i n ga s q u a r e - l a w d e t e c t o r a n d w i t h a c a r r i e r v o l t a g e i m p r e s s e d u p o n t h e d e t e c t o r ,t h e a u d i o - f r e q u e n c y n o i s e , a s m e a s u r e d b y a n i n s t r u m e n t i n d i c a t i n g t h e a v e r a g ev a l u e o f t h e s q u a r e o f t h e v o l t a g e ( o r c u r r e n t ) , i s p r o p o r t i o n a l t o t h e a r e a u n d e rt h e c u r v e r e p r e s e n t i n g t h e s q u a r e o f t h e o v e r - a l l t r a n s i m p e d a n c e ( o r o f t h et r a n s m i s s i o n ) f r o m t h e r a d i o - f r e q u e n c y b r a n c h i n w h i c h t h e d i s t u r b a n c e o r i g i -n a t e s t o t h e m e a s u r i n g i n s t r u m e n t a s a f u n c t i o n o f f r e q u e n c y a n d p r o p o r t i o n a lt o t h e s q u a r e o f t h e c a r r i e r v o l t a g e . "

1 4 J . B . J o h n s o n a n d F . B . L l e w e l l y n , " L i m i t s t o a m p l i f i c a t i o n , " T r a n s .A . I . E . E . , v o l . 5 3 , n o . 1 1 , November, ( 1 9 3 4 ) .

7 0 2




A s s u m e n ow t h a t a n u n m o d u l a t e d s i g n a l c a r r i e r i s r e c e i v e d o f , f o re x a m p l e , 4 0 0 k i l o c y c l e s a n d t h a t i t s a m p l i t u d e i s g r e a t e r t h a n t h a t o ft h e d i s t u r b i n g c u r r e n t s . U n d e r t h e s e c i r c u m s t a n c e s a n e n t i r e l y new s e to f c o n d i t i o n s a r i s e . T h e p r e s e n c e o f t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t s t o p s t h e

r e c t i f i c a t i o n o f t h e b e a t s w h i c h o c c u r b e t w e e n t h e v a r i o u s c o m p o n e n t so f t h e s p e c t r u m w i t h i n t h e 3 0 0 - t o 5 0 0 - k i l o c y c l e b a n d a n d f o r c e s a l lr e c t i f i c a t i o n t o t a k e p l a c e i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c a r r i e r .H e n c e i n t h e o u t p u t o f t h e r e c t i f i e r t h e r e i s p r o d u c e d a s e r i e s o f f r e -q u e n c i e s r u n n i n g f r o m s o m e l o w v a l u e u p t o 1 0 0 k i l o c y c l e s . T h e l o w e s t

f r e q u e n c y i s p r o d u c e d b y t h o s e c o m p o n e n t s o f t h e s p e c t r u m w h i c h l i e

a d j a c e n t t o t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t , t h e h i g h e s t b y t h o s e f r e q u e n -c i e s " 5 " 6 w h i c h l i e a t t h e e x t r e m i t y o f t h e b a n d ; i . e . , 3 0 0 a n d 5 0 0 k i l o -c y c l e s , r e s p e c t i v e l y .

I 0 -

9

8

6-

4-

2 -

0 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0

R a t i o o f P e a k V a l u e o f 4 0 0 K G C . C U r r e n t t o P e a kV a l u e o f C o m / ' , n e d 350 an d 3 5 / K G . C u r r e n t s 5

F i g . 9

T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r e c t i f i e r s a n d t h e m a g n i t u d e o f s o m e o ft h e e f f e c t s i n v o l v e d i n t h e a b o v e - d e s c r i b e d a c t i o n m ay b e v i s u a l i z e d b yr e f e r e n c e t o t h e s u c c e e d i n g f i g u r e s . T h e a c t u a l d e m o d u l a t i o n o f t h e

b e a t s o c c u r r i n g b e t w e e n a d j a c e n t f r e q u e n c y c o m p o n e n t s b y t h e p r e s -e n c e o f t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t i s s h o w n b y t h e c h a r a c t e r i s t i c o f F i g .9 , w h i c h i l l u s t r a t e s w h a t h a p p e n s t o t h e o u t p u t v o l t a g e o f a r e c t i f i e rp r o d u c e d b y b e a t i n g t o g e t h e r t w o e q u a l c u r r e n t s o f 3 5 0 a n d 3 5 1 k i l o -c y c l e s , r e s p e c t i v e l y , w h e n a 4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t i s i n t r o d u c e d i n t h e

s a m e r e c t i f i e r a n d i t s a m p l i t u d e p r o g r e s s i v e l y i n c r e a s e d w i t h r e s p e c t1 5 I t h a s b e e n p o i n t e d o u t b y B a l l a n t i n e 1 6 t h a t i t i s i m p r o p e r t o s p e a k o f t h e

a m p l i t u d e o f a s i n g l e c o m p o n e n t o f d e f i n i t e f r e q u e n c y a n d t h a t t h e p r o p e r u n i ti s t h e n o i s e p e r f r e q u e n c y i n t e r v a l . T h i s i s , o f c o u r s e , c o r r e c t , b u t t o f a c i l i t a t et h e p h y s i c a l c o n c e p t i o n o f w h a t o c c u r s i n t h i s s y s t e m t h e l i b e r t y i s t a k e n o fr e f e r r i n g t o t h e n o i s e c o m p o n e n t s a s t h o u g h t h e y w e r e o f c o n t i n u o u s s i n e wavef o r m . T h e b e h a v i o r o f t h e s y s t e m m ay b e c h e c k e d b y a c t u a l l y i n t r o d u c i n g f r o ma l o c a l g e n e r a t o r s u c h c o m p o n e n t s .

1 6 " F l u c t u a t i o n n o i s e i n r a d i o r e c e i v e r s , " P R O C . I . R . E . , v o l . 1 8 , p p . 1 3 7 7 -1 3 8 7 ; A u g u s t , ( 1 9 3 0 ) .

7 0 3




t o t h e a m p l i t u d e o f t h e s e t w o c u r r e n t s . T h e c h a r a c t e r i s t i c w a s o b t a i n e d

w i t h t h e a r r a n g e m e n t s h o w n i n F i g . 1 0 , i n w h i c h t w o o s c i l l a t o r s o f 3 5 0

a n d 3 5 1 k i l o c y c l e s p r o d u c e d c u r r e n t s o f e q u a l s t r e n g t h i n a l i n e a rr e c t i f i e r , t h i s r e c t i f i e r c o n s i s t i n g o f a d i o d e i n s e r i e s w i t h 1 0 , 0 0 0 o h m s

r e s i s t a n c e . T h e o u t p u t o f t h e r e c t i f i e r i s p u t t h r o u g h a l o w - p a s s f i l t e r ,

a v o l t a g e d i v i d e r , a n i d a n a m p l i f i e r . Th e 4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n i t i s i n t r o -

3 5 0 A . C .L i n e a r v o / t a q eR e C t i f l e r L P F i l e iie A m p l i f i e r

3 5 1 A . C4 0 0 KC

F i g . 1 0

d u c e d i n t o t h e r e c t i f i e r w i t h o u t d i s t u r b i n g t h e v o l t a g e r e l a t i o n s o f t h e

o t h e r t w o o s c i l l a t o r s a n d t h e e f f e c t o n t h e r e c t i f i e d o u t p u t v o l t a g e o b -

s e r v e d a s t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t i s i n c r e a s e d . T h e p u r p o s e o f t h e

l o w - p a s s f i l t e r i s t o p r e v e n t t h e i n d i c a t i n g i n s t r u m e n t f r o m r e s p o n d i n g

t o t h e 4 9 - o r 5 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t s p r o d u c e d b y t h e i n t e r a c t i o n o f t h e

3 5 0 - a n d 3 5 1 - k i l o c y c l e c u r r e n t s w i t h t h e c u r r e n t o f 4 0 0 k i l o c y c l e s . T h e

2 0 {

J O .

0 . 5

O J 2 3 4 5 6 7 8

R a t i o - " H e t e r o d y n e " t o S i q n a /

F i g . 1 1

l i n e a r i t y c h a r a c t e r i s t i c o f t h e r e c t i f i e r i s s h o w n i n F i g . 1 1 w h e r e t h ev o l t a g e p r o d u c e d b y t h e b e a t s b e t w e e n a c u r r e n t o f c o n s t a n t a m p l i t u d e

a n d o n e w h o s e a m p l i t u d e i s r a i s e d f r o m e q u a l i t y w i t h , t o many t i m e s

t h e v a l u e o f , t h e f i r s t c u r r e n t i s p l o t t e d a g a i n s t t h e r a t i o o f t h e t w o .

T h e l i n e a r i t y o f t h e r e c t i f i e r i s s u c h t h a t a f t e r t h e r a t i o o f t h e c u r r e n t

b e c o m e s t w o t o o n e n o f u r t h e r i n c r e a s e i n r e c t i f i e r o u t p u t v o l t a g er e s u l t s . I n f a c t w i t h t h e l e v e l s u s e d i n t h e s e m e a s u r e m e n t s w h e n t h e

7 0 4




t w o c u r r e n t s a r e e q u a l t h e r e i s a n e f f i c i e n c y o f r e c t i f i c a t i o n o f o n l y

a b o u t t w e n t y p e r c e n t

l e s st h a n

t h emaximum

o b t a i n e d .I t i s i m p o r t a n t t o n o t e h e r e t h a t t h e o n l y f r e q u e n c i e s i n t h e s p e c -t r u m w h i c h c o n t r i b u t e t o t h e p r o d u c t i o n o f c u r r e n t s o f a u d i b l e f r e -q u e n c y i n t h e d e t e c t o r o u t p u t c i r c u i t a r e t h o s e l y i n g w i t h i n a u d i b l e

r a n g e o f t h e s i g n a l c a r r i e r . W e m ay a s s u m e t h i s r a n g e a s r o u g h l y f r o m

3 9 0 t o 4 1 0 k i l o c y c l e s . T h e f r e q u e n c i e s l y i n g b e y o n d t h e s e l i m i t s b e a t

a g a i n s t t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c a r r i e r a n d o f c o u r s e a r e r e c t i f i e d b y t h e

d e t e c t o r b u t t h e r e c t i f i e d c u r r e n t s w h i c h a r e p r o d u c e d a r e o f f r e -q u e n c i e s w h i c h l i e b e y o n d t h e a u d i b l e r a n g e a n d p r o d u c e t h e r e f o r e n o

e f f e c t w h i c h i s a p p a r e n t t o t h e e a r . I t f o l l o w s t h a t i f t h e s i g n a l c a r r i e ri s s o m e w h a t g r e a t e r i n a m p l i t u d e t h a n t h e d i s t u r b i n g c u r r e n t s t h e

s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o f o r a r e c e i v e r w h o s e b a n d o f a d m i t t a n c e c o v e r s

t w i c e t h e - a u d i b l e r a n g e w i l l b e t h e s a m e a s f o r o n e w h o s e b a n d w i d t h

i s many t i m e s t h a t v a l u e . ( T h e r e a r e , o f c o u r s e , c e r t a i n s e c o n d o r d e re f f e c t s , b u t t h e y a r e o f s u c h m i n o r i m p o r t a n c e t h a t t h e e a r c a n n o t d e -t e c t t h e m . ) T h e a m p l i t u d e o f t h e d i s t u r b a n c e s i n t h e d e t e c t o r o u t p u t ,

w i l l v a r y i n a c c o r d a n c e a s t h e c o m p o n e n t s o f t h e d i s t u r b i n g c u r r e n t s

c o m e i n t o o r o u t o f p h a s e w i t h t h e s i g n a l c a r r i e r , t h e r e c t i f i e d o r d e -t e c t o r o u t p u t c u r r e n t i n c r e a s i n g a b o v e a n d d e c r e a s i n g b e l o w t h e l e v e lo f t h e r e c t i f i e d c a r r i e r c u r r e n t b y a n a m o u n t p r o p o r t i o n a l t o t h ea m p l i t u d e o f t h e c o m p o n e n t s o f t h e 3 0 0 - 5 0 0 - k i l o c y c l e b a n d . T h e r e a -s o n s f o r t h e i n d e p e n d f e n c e o f t h e s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o o f t h e b a n d w i d t h

u n d e r t h e c i r c u m s t a n c e s w h i c h h a v e b e e n d e s c r i b e d s h o u l d now b e

a p p a r e n t . I n a n y e v e n t , i t c a n b e r e a d i l y d e m o n s t r a t e d e x p e r i m e n t a l l y .I t i s n ow i n o r d e r t o c o n s i d e r w h a t h a p p e n s w h e n a c u r r e n t l i m i t -

i n g d e v i c e i s i n t r o d u c e d b e t w e e n t h e o u t p u t o f t h e a m p l i f i e r a n d t h e

d e t e c t o r i n p u t . ( A s s u m e s i g n a l l e v e l s t i l l a b o v e p e a k n o i s e l e v e l . )Two e f f e c t s w i l l o c c u r . O n e o f t h e e f f e c t s w i l l b e t o s u p p r e s s i n t h e

o u t p u t c i r c u i t o f t h e l i m i t e r a l l c o m p o n e n t s o f t h e d i s t u r b i n g c u r r e n t sw h i c h a r e i n p h a s e w i t h , o r o p p o s i t e i n p h a s e t o , t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c a r -r i e r . T h e o t h e r e f f e c t w i l l b e t o p e r m i t t h e p a s s a g e o f a l l c o m p o n e n t s o ft h e d i s t u r b i n g c u r r e n t s w h i c h a r e i n q u a d r a t u r e w i t h t h e 4 0 0 - k i l o c y c l ec u r r e n t .

B o t h t h e a b o v e e f f e c t s a r e b r o u g h t a b o u t b y a c u r i o u s p r o c e s sw h i c h t a k e s p l a c e i n t h e l i m i t e r . E a c h c o m p o n e n t w i t h i n t h e b a n dc r e a t e s a n i m a g e l y i n g o n t h e o p p o s i t e s i d e o f t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e p o i n t

w h o s e f r e q u e n c y d i f f e r e n c e f r o m t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t i s e q u a l

t o t h e f r e q u e n c y d i f f e r e n c e b e t w e e n t h a t c u r r e n t a n d t h e o r i g i n a l c o m -

p o n e n t . T h e r e l a t i v e p h a s e o f t h e o r i g i n a l c u r r e n t i n q u e s t i o n , t h e4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t a n d t h e i m a g e c u r r e n t i s t h a t o f p h a s e m o d u l a -

t i o n - t h a t i s , a t t h e i n s t a n t w h e n t h e o r i g i n a l c o m p o n e n t a n d i t s

7 0 5




i m a g e a r e i n p h a s e w i t h e a c h o t h e r , t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t w i l l b e i nq u a d r a t u r e w i t h t h e m b o t h a n d a t t h e i n s t a n t t h a t t h e 4 0 0 - k i l o c y c l ec u r r e n t i s i n p h a s e w i t h o n e o f t h e s e t w o f r e q u e n c i e s , i t w i l l b e o u t o fp h a s e w i t h t h e o t h e r .

T h e r e l a t i o n ( o b t a i n e d e x p e r i m e n t a l l y ) b e t w e e n t h e a m p l i t u d e s o ft h e o r i g i n a l c u r r e n t a n d t h e i m a g e i s i l l u s t r a t e d b y t h e c u r v e o f F i g . 1 2 ,

2 t 0 0

s 0 0 o k

1 0 0 0 F

1 0 2 0 3 0I n i t i a l S i d e F r e q u e n c y i n % C a r r i e r 4 0 5 0

F i g . 1 2

w h i c h s h o w s t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e a m p l i t u d e o f a 3 9 0 - k i l o c y c l e c u r -r e n t i n t r o d u c e d i n t o a l i m i t e r a l o n g w i t h t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t a n d

t h e r e s u l t i n g 4 1 0 - k i l o c y c l e i m a g e i n t e r m s o f p e r c e n t a g e a m p l i t u d e o ft h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t . I t w i l l b e o b v i o u s f r o m t h e c u r v e t h a t i n t h e

r e g i o n w h i c h i s o f i n t e r e s t - t h a t i s , w h e r e t h e s i d e f r e q u e n c i e s a r e s m a l l e rt h a n t h e m i d - f r e q u e n c y - t h a t t h e e f f e c t i s s u b s t a n t i a l l y l i n e a r .

F i g . 1 3

W i t h t h e a b o v e u n d e r s t a n d i n g o f w h a t t a k e s p l a c e i n t h e c u r r e n t

l i m i t e r i t i s now i n o r d e r t o c o n s i d e r w h a t h a p p e n s w h e n a s e l e c t i v es y s t e m a s i l l u s t r a t e d i n F i g . 1 3 i s i n t e r p o s e d b e t w e e n t h e l i m i t e r a n d

t h e d e t e c t o r . ( T h e b a n d - p a s s f i l t e r i s f o r t h e p u r p o s e o f r e m o v i n g

l i m i t e r h a r m o n i c s . ) A r o u g h p i c t u r e o f w h a t o c c u r s m ay b e h a d b yc o n s i d e r i n g a s i n g l e c o m p o n e n t o f t h e i n t e r f e r e n c e s p e c t r u m . S u p p o s e

7 0 6




t h i s c o m p o n e n t t o b e a t 3 9 0 k i l o c y c l e s a n d t h a t b y t h e a c t i o n a l r e a d y

e x p l a i n e d i t h a s

c r e a t e di t s i m a g e

a t4 1 0 k i l o c y c l e s . T h e s e t w o f r e -

q u e n c i e s a r e e q u a l i n a m p l i t u d e a n d s o p h a s e d w i t h r e s p e c t t o e a c h

o t h e r a n d w i t h r e s p e c t t o t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c a r r i e r t h a t n o a m p l i t u d e

c h a n g e r e s u l t s .A s s u m e now t h a t t h e s e l e c t i v e s y s t e m h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c MN

w h i c h a s s h o w n i n F i g . 1 4 i s d e s i g n e d t o g i v e c o m p l e t e m o d u l a t i o n

f o r a t e n - k i l o c y c l e d e v i a t i o n o f f r e q u e n c y . S i n c e a t 3 9 0 k i l o c y c l e s t h e

r e a c t a n c e a c r o s s t h e c a p a c i t y - i n d u c t a n c e c o m b i n a t i o n i s z e r o a n d a t4 1 0 k i l o c y c l e s d o u b l e w h a t i t i s a t 4 0 0 k i l o c y c l e s i t f o l l o w s t h a t t h e

3 9 0 - k i l o c y c l e c o m p o n e n t b e c o m e s e q u a l t o z e r o b u t t h e r a t i o o f t h e4 1 0 - k i l o c y c l e c o m p o n e n t f o t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c a r r i e r i s d o u b l e d ; t h a t

uL=- --------

zI_X 0 4 0 0 4 1 0 S f r e q u e n c y

F i g . 1 4

i s , i t i s t w i c e a s g r e a t a s i s t h e r a t i o i n t h e c i r c u i t s p r e c e d i n g t h e

s e l e c t i v e s y s t e m . T h e c h a n g e i n a m p l i t u d e , t h e r e f o r e , b e c o m e s p r o -p o r t i o n a l t o O U . T h e r e f o r e i n c o m b i n a t i o n w i t h t h e 4 0 0 - k i l o c y c l ec a r r i e r a v a r i a t i o n i n a m p l i t u d e i s p r o d u c e d w h i c h i s s u b s t a n t i a l l y i d e n -t i c a l w i t h t h a t w h i c h w o u l d b e o b t a i n e d w e r e t h e c u r r e n t l i m i t e r r e -m o v e d a n d t h e s e l e c t i v e s y s t e m r e p l a c e d b y a n a p e r i o d i c c o u p l i n g o fs u c h v a l u e t h a t t h e s a m e d e t e c t o r l e v e l w e r e p r e s e r v e d .

N o w c o n s i d e r w h a t o c c u r s w h e n a s e l e c t i v e s y s t e m h a v i n g t h e

c h a r a c t e r i s t i c s u c h a s PQ a n d r e q u i r i n g a d e v i a t i o n o f 1 0 0 k i l o c y c l e st o p r o d u c e f u l l m o d u l a t i o n i s e m p l o y e d i n s t e a d o f o n e s u c h a s MN ,w h e r e a t e n - k i l o c y c l e d e v i a t i o n o n l y i s r e q u i r e d . A s s u m e t h e s a m e c o n -

d i t i o n s o f i n t e r f e r e n c e a s b e f o r e . T h e 4 0 0 - k i l o c y c l e v o l t a g e a p p l i e d t o

t h e r e c t i f i e r w i l l b e t h e s a m e a s b e f o r e , b u t t h e r e l a t i v e a m p l i t u d e s o f

t h e 3 9 0 - a n d 4 1 0 - k i l o c y c l e v o l t a g e s w i l l o n l y b e s l i g h t l y c h a n g e d . T h e4 1 0 - k i l o c y c l e v o l t a g e w i l l b e i n c r e a s e d f r o m a v a l u e w h i c h i s p r o p o r -

t i o n a l t o OS t o o n e w h i c h i s p r o p o r t i o n a l t o OT a n d t h e 3 9 0 - k i l o c y c l ev o l t a g e w i l l b e r e d u c e d f r o m a v a l u e p r o p o r t i o n a l t o OS t o o n e p r o -p o r t i o n a l t o O R . T h e d i f f e r e n c e i n v a l u e o f t h e t w o f r e q u e n c i e s w i l l b e

p r o p o r t i o n a l t o t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n U F S a n d OT o r R T , a n d t h e .c h a n g e i n a m p l i t u d e p r o d u c e d b y t h e i r i n t e r a c t i o n w i t h t h e 4 0 0 -

7 0 7



Ar m s t r o n g : F r e q u e n c y M o d u l a t i o n N o i s e I R e d u c t i o n

k i l o c y c l e c u r r e n t w i l l b e l i k e w i s e p r o p o r t i o n a l t o R T . T h e r e d u c t i o n l i i l

t h e a m p l i t u d e o f t h e d i s t u r b a n c e . a s m e a s u r e d i n t h e d e t e c t o r o u t p u t

b y t h e u s e o f a 2 0 0 - k i l o c y c l e w i d e s e l e c t i v e s y s t e m a s c o m p a r e d t o t h e

u s e o f o n e o n l y t w e n t y k i l o c y c l e s w i d e i s t h e r e f o r e t h e r a t i o RT/OU.I n t h i s c a s e i t i s t e n p e r c e n t . T h e p o w e r r a t i o i s t h e s q u a r e o f t h i s o r

o n e p e r c e n t .T h e a b o v e r e a s o n i n g h o l d s e q u a l l y w e l l i f a b a l a n c e d r e c t i f y i n g

s y s t e m i s u s e d w h e r e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s e l e c t i v e s y s t e m a r e a s

s h o w n i n F i g . 1 5 . T h e o u t p u t o f t h e s y s t e m i n s o f a r a s v o l t a g e s r e s u l t -i n g f r o m c h a n g e s i n f r e q u e n c y a r e c o n c e r n e d i s t h e sum o f o u t p u t s o f

t h e t w o s i d e s o f t h e b a l a n c e .

r-----_1_______4T--

-=----=-t--=-

0 1 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ z z ~~~~~~ ~~ ~

U '___ V ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ' _ ,

F i g . 1 5 F i g . 1 6

I t i s o f c o u r s e c l e a r t h a t d i s t u r b i n g c u r r e n t s l y i n g f a r t h e r f r o m t h e

4 0 0 - k i l o c y c l e p o i n t t h a n t h e t e n - k i l o c y c l e l i m i t w i l l , b y i n t e r a c t i o n w i t h

t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t , p r o d u c e l a r g e r v a l u e s o f r e c t i f i e d c u r r e n t

t h a n t h o s e l y i n g w i t h i n t h a t b a n d . B u t t h e r e c t i f i e d c u r r e n t s p r o d u c e d i nt h e d e t e c t o r o u t p u t b y t h o s e c o m p o n e n t s o f f r e q u e n c y w h i c h l i e a t a g r e a t e rt h a n a z d i b l e f r e q u e n c y d i s t a n c e f r o m t h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t w i l l b eb e y o n d t h e a u d i b l e r a n g e a n d h e n c e w i l l p r o d u c e n o d i s t u r b a n c e w h i c h

i s a u d i b l e . ( I t i s g e n e r a l l y a d v i s a b l e t o e l i m i n a t e t h e m f r o m t h e a u d i o

a m p l i f i e r b y a l o w - p a s s f i l t e r t o p r e v e n t s o m e i n c i d e n t a l r e c t i f i c a t i o ni n t h e a m p l i f i e r m a k i n g t h e i r v a r i a t i o n s i n a m p l i t u d e a u d i b l e . )

I t r e m a i n s o n l y t o c o n s i d e r w h a t h a p p e n s w h e n t h e f r e q u e n c y o ft h e 4 0 0 - k i l o c y c l e c u r r e n t i s v a r i e d i n a c c o r d a n c e w i t h m o d u l a t i o n a tt h e t r a n s m i t t e r . I t i s c l e a r f r o m F i g . 1 4 t h a t w h e n t h e s e l e c t i v e s y s t e m

h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c MN t h a t a d e v i a t i o n o f 1 0 , 0 0 0 c y c l e s w i l l p r o -d u c e c o m p l e t e m o d u l a t i o n o f t h e s i g n a l o r a c h a n g e i n a m p l i t u d e p r o -

p o r t i o n a l t o OU . S i m i l a r l y , w h e n t h e c h a r a c t e r i s t i c i s a c c o r d i n g t o

t h e c u r v e PQ i t i s c l e a r t h a t a 1 0 0 , 0 0 0 - c y c l e d e v i a t i o n i s r e q u i r e d t o

p r o d u c e c o m p l e t e m o d u l a t i o n , w h i c h i s l i k e w i s e p r o p o r t i o n a l t o t h e s a m e

v a l u e O U . A s t h e s i g n a l c u r r e n t i s s w u n g b a c k a n d f o r t h o v e r t h e

r a n g e o f f r e q u e n c i e s b e t w e e n 3 0 0 a n d 5 0 0 k i l o c y c l e s t h e b a n d o f f r e -

7 0 8




q u e n c i e s f r o m w h i c h t h e a u d i b l e i n t e r f e r e n c e i s d e r i v e d c o n t i n u a l l y

c h a n g e s , t h e b a n d p r o g r e s s i v e l y l y i n g a b o u t t e n k i l o c y c l e s a b o v e a n dt e n k i l o c y c l e s b e l o w w h a t we may c a l l t h e i n s t a n t a n e o u s v a l u e o f t h ef r e q u e n c y o f t h e s i g n a l . T h e e f f e c t i s i l l u s t r a t e d b y F i g . 1 6 a n d f r o m

t h i s i t w i l l b e s e e n t h a t t h e a m p l i t u d e o f t h e d i s t u r ba n c e s i n t h e o u t p u t

c i r c u i t o f t h e r e c t i f i e r s , w h i c h i s p r o p o r t i o n a l t o t h e su m o f RT a n dR ' T ' w i l l b e c o n s t a n t . T h i s w i l l b e t r u e w h e r e t h e r a t i o o f t h e a m p l i t u d e

o f t h e s i g n a l t o t h e d i s t u r b i n g c u r r e n t s i s s u f f i c i e n t l y l a r g e - w h e r e

t h i s c o n d i t i o n d o e s n o t e x i s t t h e n t h e r e a r e c e r t a i n o t h e r e f f e c t s w h i c h

m o d i f y t h e r e s u l t s , b u t t h e s e e f f e c t s w i l l o n l y b e o f i m p o r t a n c e a t t h el i m i t s o f t h e p r a c t i c a l w o r k i n g r a n g e .

C O M P A R I S O N OF N O I S E R A T I O S OF A M P L I T U D E AND FREQUENCYMODULATION S Y S T E M S

From t h e f o r e g o i n g d e s c r i p t i o n i t w i l l b e c l e a r t h a t a s b e t w e e n t w o

f r e q u e n c y m o d u l a t i o n s y s t e m s o f d i f f e r e n t b a n d w i d t h s t h e s i g n a l - t o -n o i s e p o w e r r a t i o i n t h e r e c t i f i e d o u t p u t w i l l v a r y d i r e c t l y a s t h e s q u a r e

o f t h e b a n d w i d t h ( p r o v i d e d t h e n o i s e v o l t a g e a t t h e c u r r e n t l i m i t e r i s

l e s s t h a n t h e s i g n a l i n g v o l t a g e ) . T h u s d o u b l i n g t h e b a n d w i d t h p r o -d u c e s a n i m p r o v e m e n t o f 4 t o 1 a n d i n c r e a s i n g i t t e n f o l d a n i m p r o v e -

m e n t o f 1 0 0 t o 1 .T h e c o m p a r i s o n o f r e l a t i v e n o i s e r a t i o s o f a m p l i t u d e a n d f r e q u e n c y

m o d u l a t i o n s y s t e m s c a n n o t b e m a d e o n s o s i m p l e a b a s i s a s t h e r e a r ea n u m b e r o f n e w f a c t o r s w h i c h e n t e r , p a r t i c u l a r l y w h e n t h e c o m p a r i -

s o n i s v i e w e d f r o m t h e v e r y p r a c t i c a l a s p e c t o f h o w much g r e a t e rp o w e r m u s t b e u s e d w i t h a n a m p l i t u d e m o d u l a t e d t r a n s m i t t e r t h a n

w i t h a f r e q u e n c y m o d u l a t e do n e . I f

t h e a c a d e m i c c o m p a r i s o n b e m a d eb e t w e e n a f r e q u e n c y m o d u l a t e d s y s t e m h a v i n g a d e v i a t i o n o f t e n k i l o -c y c l e s a n d a n a m p l i t u d e m o d u l a t e d o n e o f s i m i l a r b a n d w i d t h a n d t h e

s a m e c a r r i e r l e v e l ( a l s o s a m e f i d e l i t y ) , i t w i l l b e f o u n d t h a t t h e s i g n a l - t o -n o i s e v o l t a g e r a t i o a s m e a s u r e d b y a r o o t - m e a n - s q u a r e m e t e r w i l lf a v o r t h e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n s y s t e m b y a b o u t 1 . 7 t o 1 , a n d t h a tt h e c o r r e s p o n d i n g p o w e r r a t i o w i l l b e a b o u t 3 t o 1 . T h i s i m p r o v e m e n ti s d u e t o t h e f a c t t h a t i n t h e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n r e c e i v e r i t i s o n l y

t h o s e n o i s e c o m p o n e n t s w h i c h l i e a t t h e e x t r e m e s o f t h e b a n d ; v i z . ,t e n k i l o c y c l e s a w a y f r o m t h e c a r r i e r w h i c h , b y i n t e r a c t i o n w i t h t h ec a r r i e r ( w h e n u n m o d u l a t e d ) c a n p r o d u c e t h e s a m e a m p l i t u d e o f r e c t i -f i e d c u r r e n t a s w i l l b e p r o d u c e d b y t h e c o r r e s p o n d i n g n o i s e c o m p o n e n ti n t h e a m p l i t u d e m o d u l a t e d r e c e i v e r .

T h o s e c o m p o n e n t s w h i c h l i e c l o s e r t o t h e c a r r i e r t h a n t e n k i l o c y c l e sw i l l p r o d u c e a s m a l l e r r e c t i f i e d v o l t a g e , t h e v a l u e o f t h i s d e p e n d i n g o n

t h e i r r e l a t i v e d i s t a n c e f r o m t h e c a r r i e r . H e n c e t h e d i s t r i b u t i o n o f e n -

7 0 9




e r g y i n t h e r e c t i f i e d c u r r e n t w i l l n o t b e u n i f o r m w i t h r e s p e c t t o f r e -q u e n c y b u t w i l l i n c r e a s e f r o m z e r o a t z e r o f r e q u e n c y u p t o a maximuma t t h e l i m i t o f t h e w i d t h o f t h e r e c e i v e r , w h i c h i s t e n k i l o c y c l e s i n t h e

p r e s e n t c a s e . T h e r o o t - m e a n - s q u a r e v a l u e o f t h e v o l t a g e u n d e r s u c h a

d i s t r i b u t i o n i s a p p r o x i m a t e l y 0 . 6 o f t h e v a l u e p r o d u c e d w i t h t h e u n i -f o r m d i s t r i b u t i o n o f t h e a m p l i t u d e .r e c e i v e r .

S i m i l a r l y i n c o m p a r i n g a n a m p l i t u d e m o d u l a t i o n s y s t e m a r r a n g e d

t o r e c e i v e t e n - k i l o c y c l e m o d u l a t i o n s a n d h a v i n g , o f c o u r s e , a b a n d

w i d t h o f t w e n t y k i l o c y c l e s , w i t h a 1 0 0 - k i l o c y c l e d e v i a t i o n f r e q u e n c y

f r e q u e n c yC f ? a r a c t e r , s t , c

o f S e l e c t o rS y s t e m

+ l O _

0 7\-r

0 4

050 60 7

0 0

0 9

a t35 45 0 5 0 0 f - r e u e n c y

I 0 3

I 2 0 . 6

F i g . 1 7

m o d u l a t i o n s y s t e m ( s a m e c a r r i e r l e v e l a n d s a m e f i d e l i t y ) t h e r e w i l l b e

a n i m p r o v e m e n t i n n o i s e v o l t a g e r a t i o o f

d e v i a t i o n 1 0 01 . 7 X o r 1 . 7 X --= 1 7 .

a u d i o - f r e q u e n c y r a n g e 1 0

T h e a b o v e c o m p a r i s o n s h a v e b e e n made o n t h e b a s i s o f e q u a l c a r -r i e r . T h e p r a c t i c a l b a s i s o f c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e t w o i s t h a t o fh a l f c a r r i e r f o r t h e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n a n d f u l l c a r r i e r f o r t h e f r e -q u e n c y m o d u l a t i o n s y s t e m . T h i s r e s u l t s i n a b o u t t h e e q u i v a l e n tamount o f p o w e r b e i n g d r a w n f r o m t h e m a i n s b y t h e t w o s y s t e m s . Ont h i s b a s i s t h e v o l t a g e i m p r o v e m e n t b e c o m e s t h i r t y - f o u r a n d t h e s i g n a l -t o - n o i s e p o w e r r a t i o 1 1 5 6 . W h e r e t h e s i g n a l l e v e l i s s u f f i c i e n t l y l a r g ew i t h r e s p e c t t o t h e n o i s e i t h a s b e e n f o u n d p o s s i b l e t o r e a l i z e i m p r o v e -m e n t s o f t h i s o r d e r .

T h e r e l a t i v e o u t p u t s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o s o f a n a m p l i t u d e m o d u l a -

t i o n s y s t e m f i f t e e n k i l o c y c l e s w i d e ( 7 . 5 - k i l o c y c l e m o d u l a t i o n f r e q u e n c y )a n d a f r e q u e n c y m o d u l a t i o n s y s t e m 1 5 0 k i l o c y c l e s w i d e ( 7 5 - k i l o c y c l ed e v i a t i o n ) o p e r a t i n g o n f o r t y - o n e m e g a c y c l e s h a v e b e e n c o m p a r e d o n

t h e b a s i s o f e q u a l f i d e l i t y a n d h a l f c a r r i e r f o r a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ,

7 1 0




T h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e s e l e c t i v e s y s t e m f o r c o n v e r t i n g f r e q u e n c y

c h a n g e s t o a m p l i t u d e c h a n g e s , w h i c h w a s u s e d , i s s h o w n i n F i g . 1 7 .T h e v a r i a t i o n o f t h e o u t p u t s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o w i t h r e s p e c t t o t h e

c o r r e s p o n d i n g r a d i o - f r e q u e n c y v o l t a g e r a t i o i s i l l u s t r a t e d i n F i g . 1 8 .T h e c u r v e s s h o w t h a t w h e r e t h e r a d i o - f r e q u e n c y p e a k v o l t a g e o f t h e

n o i s e m e a s u r e d a t t h e c u r r e n t l i m i t e r i s l e s s t h a n t e n p e r c e n t o f t h e

F i g . 1 8

s i g n a l p e a k v o l t a g e t h e n t h e e n e r g y o f t h e d i s t u r b a n c e i n t h e r e c t i f i e do u t p u t w i l l b e r e d u c e d b y a f a c t o r w h i c h i s a p p r o x i m a t e l y 1 1 0 0 t o 1 .Whe n t h e p e a k r a d i o - f r e q u e n c y n o i s e v o l t a g e i s t w e n t y - f i v e p e r c e n to f t h e s i g n a l p e a k v o l t a g e t h e n t h e e n e r g y o f t h e d i s t u r b a n c e i n t h e

r e c t i f i e d o u t p u t h a s b e e n r e d u c e d t o a b o u t 7 0 0 t o 1 , a n d w h e n i t i sf i f t y p e r c e n t t h e r e d u c t i o n o f t h e d i s t u r b a n c e d r o p s b e l o w 5 0 0 t o 1 .F i n a l l y w h e n t h e n o i s e a n d s i g n a l p e a k v o l t a g e s b e c o m e s u b s t a n t i a l l ye q u a l t h e i m p r o v e m e n t d r o p s t o s o m e v e r y l o w v a l u e . W h i l e i t i s u n -

f o r t u n a t e , o f c o u r s e , t h a t t h e n a t u r e o f t h e e f f e c t i s s u c h t h a t t h e

a m o u n t o f n o i s e r e d u c t i o n b e c o m e s l e s s a s t h e n o i s e l e v e l r i s e s w i t h

r e s p e c t t o t h e s i g n a l , n e v e r t h e l e s s t h i s f a i l i n g i s n o t n e a r l y s o i m p o r t a n t

7 1 1




a s i t w o u l d a p p e a r . I n t h e f i e l d o f h i g h f i d e l i t y b r o a d c a s t i n g a s i g n a l - t o -n o i s e v o l t a g e r a t i o o f a t l e a s t 1 0 0 t o 1 i s r e q u i r e d f o r s a t i s f a c t o r y r e -

c e p t i o n . I t i s j u s t w i t h i n t h o s e r a n g e s o f n o i s e r a t i o s w l i c h c a n l b e

r e d u c e d t o t h i s l o w l e v e l t h a t t h e s y s t e m i s m o s t e f f e c t i v e .Th e a r r a n g e m e n t s e m p l o y e d i n o b t a i n i n g t h e s e c h a r a c t e r i s t i c s a n i d

t h e p r e c a u t i o n s w h i c h m u s t b e o b s e r v e d m ay p e r h a p s b e o f i n i t e r e s t .A s i t w a s o b v i o u s l y i m p r a c t i c a b l e t o v a r y t h e p o w e r o f a t r a n s i n i t t e ro v e r t h e r a n g e s r e q u i r e d o r t o e l i m i n a t e t h e f a d i n g f a c t o r e x c e p t o v e r

s h o r t p e r i o d s o f t i m e a n e x p e d i e n i t w a s a d o p t e d . T h i s e x p e d i e n - i t c o n l -s i s t e d i n t u n i n g t h e r e c e i v e r t o t h e c a r r i e r o f a d i s t a n t s t a t i o n , d e t e r -

m i n i n g l e v e l s a n d t h e n s u b s t i t u t i n g f o r t h e d i s t a n t s t a t i o n a l o c a l s i g n a lg e n e r a t o r , t h e d i s t a n t s t a t i o n r e m a i n i n g s h u t down e x c e p t a s i t w a s

4 0 0 K . C . A m p l i f i e rL 1 / 5 C Band R e c t i f i e r

A / W f 1 t e r C o n v e r t e r A l n p l i f l e r C o n v e r t e ' r C r e t LC u r r e n t

4 0 0 K C A m p l i f i e r F i l t e r R e c t i f i e r/ 5 0 K . C S a n d

0 O 5 c / / / a t o r 0 s c i / / a t o rS t a n d a r dS i g n a /6 e n e r a t o r

V o / t a q eD i v i d l e r A m p l i f i e r H P F i / t e r

L - PF l t e r

A m p l i f i e r S p e a k c e r

F i g . 1 9

c a l l e d u p o n t o c h e c k s p e c i f i c p o i n t s o n t h e c u r v e . O b s e r v a t i o n s w e r e

t a k e n o n l y w h e n t h e n o i s e was d u e s o l e l y t o t h e r m a l a g i t a t i o n a n d s h o t

e f f e c t .F i g . 1 9 s h o w s t h e a r r a n g e m e n t o f a p p a r a t u s . The r e c e i v e r w a s a

t w o - i n t e r m e d i a t e - f r e q u e n c y s u p e r h e t e r o d y n e w i t h p r o v i s i o n f o r u s i n g

e i t h e r a n a r r o w b a n d s e c o n d i n t e r m e d i a t e a m p l i f i e r w i t h t h e a m p l i t u d e

m o d u l a t i o n s y s t e m o r a w i d e b a n d a m p l i f i e r w i t h t h e f r e q u e n c y m o d u -

l a t i o n s y s t e m . T h e b a n d w i d t h o f t h e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n s y s t e m

w a s f i f t e e n k i l o c y c l e s o r t w i c e t h e m o d u l a t i o n f r e q u e n c y r a n g e . T h e

b a n d w i d t h o f t h e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n r e c e i v e r was 1 5 0 k i l o c y c l e s o rt w i c e t h e f r e q u e n c y d e v i a t i o n . P r o v i s i o n was made f o r s h i f t i n g f r o m

o n e i n t e r m e d i a t e a m p l i f i e r t o t h e o t h e r w i t h o u t d i s t u r b i n g t n e r e -

m a i n d e r o f t h e s y s t e m . Th e f o r t y - o n e - m e g a c y c l e c i r c u i t s a n d t h e f i r s ti n t e r m e d i a t e a m p l i f i e r c i r c u i t s w e r e w i d e e n o u g h t o p a s s t h e f r e q u e n c ys w i n g o f 1 5 0 k i l o c y c l e s . I d e n t i c a l d e t e c t i o n s y s t e m s were u s e d , t h e f r e -q u e n c y m o d u l a t i o n d e t e c t o r b e i n g p r e c e d e d b y a s e l e c t i v e s y s t e m f o r

7 1 2




t r a n s l a t i n g c h a n g e s i n f r e q u e n c y i n t o c h a n g e s i n a m p l i t u d e . T h e o u t p u t

c i r c u i t s o f t h e d e t e c t o r s w e r e a r r a n g e d t o b e c o n n e c t e d a l t e r n a t e l y t oa 7 5 0 0 - c y c l e l o w - p a s s f i l t e r w i t h a v o l t a g e d i v i d e r a c r o s s i t s o u t p u t . Ana m p l i f i e r w i t h a f l a t c h a r a c t e r i s t i c o v e r t h e a u d i b l e r a n g e a n d a

r o o t - m e a n - s q u a r e m e t e r c o n n e c t e d t h r o u g h a h i g h - p a s s , 5 0 0 - c y c l e f i l t e rp r o v i d e d t h e v i s u a l i n d i c a t i o n .

T h e s t a n d a r d s i g n a l w a s i n t r o d u c e d i n t o t h e i n p u t o f t h e t w o

b r a n c h e s o f t h e s e c o n d i n t e r m e d i a t e - f r e q u e n c y s t a g e a t 4 0 0 k i l o c y c l e s .A s l o n g a s t h e r e c e i v e r i s l i n e a r b e t w e e n t h e a n t e n n a a n d t h e p o i n t a tw h i c h t h e s t a n d a r d s i g n a l i s i n t r o d u c e d i t i s i m m a t e r i a l w h e t h e r t h e

s i g n a l b e o f f o r t y - o n e m e g a c y c l e s , s i x m e g a c y c l e s , o r 4 0 0 k i l o c y c l e s .T h i s h a s b e e n c h e c k e d e x p e r i m e n t a l l y b u t 4 0 0 k i l o c y c l e s w a s c h o s e n o n

a c c o u n t o f t h e g r e a t e r a c c u r a c y o f t h e s i g n a l g e n e r a t o r o n l o w f r e q u e n -

c i e s .T h e r e l a t i v e n o i s e l e v e l s t o b e c o m p a r e d v a r i e d o v e r s u c h r a n g e s

t h a t l a c k o f l i n e a r i t y h a d t o b e g u a r d e d a g a i n s t a n d r e a d i n g s w e r e m a d eb y b r i n g i n g t h e o u t p u t m e t e r t o t h e s a m e p o i n t o n t h e s c a l e e a c h t i m e

b y a d j u s t m e n t o f t h e v o l t a g e d i v i d e r , a n d o b t a i n i n g t h e r e l a t i v e v o l t -

a g e s d i r e c t l y f r o m t h e d i v i d e r .Two o t h e r p r e c a u t i o n s a r e e s s e n t i a l . T h e a b s o l u t e v a l u e o f t h e

n o i s e v o l t a g e o n t h e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n s y s t e m b e c o m e s v e r y l o w

f o r h i g h s i g n a l l e v e l s . I f t h e v o l t a g e s d u e t o t h e r m a l a g i t a t i o n a n ds h o t e f f e c t a r e t o b e m e a s u r e d r a t h e r t h a n t h o s e d u e t o t h e p o w e r s u p -

p l y s y s t e m t h e o u t p u t m e t e r m u s t b e p r o t e c t e d b y a h i g h - p a s s f i l t e r o fh i g h a t t e n t u a t i o n f o r t h e f r e q u e n c i e s p r o d u c e d b y t h e p o w e r s y s t e m .

T h e c u t o f f p o i n t s h o u l d b e k e p t a s l o w a s p o s s i b l e s i n c e b e c a u s e o f t h ed i f f e r e n c e i n t h e d i s t r i b u t i o n o f e n e r g y i n t h e r e c t i f i e d o u t p u t s o f f r e -q u e n c y a n d a m p l i t u d e m o d u l a t i o n r e c e i v e r s a l r e a d y r e f e r r e d t o t h e r ei s a c e r t a i n e r r o r i n t r o d u c e d b y t h i s f i l t e r w h i c h i s s m a l l i f t h e b a n dw i d t h e x c l u d e d b y t h e f i l t e r i s s m a l l b u t w h i c h c a n b e c o m e a p p r e c i a b l ei f t o o m u c h o f t h e l o w - f r e q u e n c y p a r t o f t h e m o d u l a t i o n f r e q u e n c yr a n g e b e s u p p r e s s e d .

A s e c o n d p r e c a u t i o n i s t h e u s e o f a l o w - p a s s f i l t e r t o c u t o f f f r e -q u e n c i e s a b o v e t h e m o d u l a t i o n r a n g e . B e c a u s e o f t h e w i d e b a n d p a s s e d

b y t h e a m p l i f i e r s o f t h e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n p a r t o f t h e s y s t e m t h e r e

e x i s t s i n t h e d e t e c t o r o u t p u t r e c t i f i e d c u r r e n t s o f f r e q u e n c i e s u p t os e v e n t y - f i v e k i l o c y c l e s . T h e a m p l i t u d e o f t h e s e h i g h e r f r e q u e n c i e s i sm u ch g r e a t e r t h a n t h o s e l y i n g w i t h i n t h e a u d i b l e r a n g e . T h e a v e r a g e

d e t e c t o r o u t p u t t r a n s f o r m e r w i l l r e a d i l y p a s s a s u b s t a n t i a l p a r t o f t h e s es u p e r a u d i b l e f r e q u e n c i e s w h i c h t h e n r e g i s t e r t h e i r e f f e c t u p o n t h e o u t -

p u t m e t e r a l t h o u g h t h e y i n n o way c o n t r i b u t e t o t h e a u d i b l e d i s -t u r b a n c e .

7 1 3




T h e p r o c e d u r e w h i c h w a s f o l l o w e d i n m a k i n g t h e m e a s u r e m e n t s

w e a r e c o n s i d e r i n g c o n s i s t e d i n t u n i n g t h e r e c e i v e r t o t h e d i s t a n i t t r a n s -m i t t e r a n d a d j u s t i n g t h e t w o d e t e c t o r l e v e l s t o t h e s a m e v a l u e f o r t h e

r e s p e c t i v e c a r r i e r l e v e l s t o b e e m p l o y e d . T h i s w a s d o n e b y c u t t i n i gt h e c a r r i e r i n h a l f a t t h e t r a n s m i t t e r w h e n t h e a m p l i t u d e m o d u l a t i o t i

d e t e c t o r l e v e l w a s b e i n g s e t a n d u s i n g f u l l c a r r i e r f o r t h e a d j u s t m e n l to f t h e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n d e t e c t o r . E a c h s y s t e m w a s t h e n i m o d u -

l a t e d s e v e n t y - f i v e p e r c e n t a n d o u t p u t v o l t a g e s c h e c k e d a g a i n s t e a c h

o t h e r . I f t h e y w e r e e q u a l t h e m o d u l a t i o n w a s r e m o v e d a n d t h e r e l a t i v en o i s e v o l t a g e s m e a s u r e d f o r t h e r e s p e c t i v e c a r r i e r l e v e l s . T h i s g a v e t h e

f i r s t p o i n t o n t h e c u r v e . T h e t r a n s m i t t e r w a s t h e n s h u t d o w n i a n da l o c a l c a r r i e r i n t r o d u c e d w h i c h g a v e t h e s a m e l e v e l i n t h e 4 0 0 - k i l o c y c l ei n t e r m e d i a t e a m p l i f i e r c i r c u i t s a s t h e h a l f c a r r i e r d i s t a n t s i g n a l . T h i s

l e v e l w a s d i r e c t l y a s c e r t a i n a b l e f r o m t h e r e c t i f i e d d e t e c t o r c u r r e n t i nt h e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n s y s t e m . From t h i s p o i n t o n t h e p r o c e d u r e

w a s e n t i r e l y w i t h i n t h e c o n t r o l o f t h e r e c e i v i n g s t a t i o n . T h e n o i s e

r a t i o s c o u l d b e c o m p a r e d a t a n y s i g n a l l e v e l b y a d j u s t i n g t h e v o l t a g e

i n t r o d u c e d b y t h e s i g n a l g e n e r a t o r t o a n y f r a c t i o n o f t h a t o f t h e d i s t a n t

s i g n a l , b r i n g i n g t h e l e v e l i n t h e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n d e t e c t o r u p t ot h e s a m e o r i g i n a l v a l u e b y a d j u s t m e n t o f t h e a m p l i f i c a t i o n o f t h es e c o n d i n t e r m e d i a t e a m p l i f i e r ( t h e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n d e t e c t o r s t a y s

a t i t s p o i n t o f r e f e r e n c e b e c a u s e o f t h e c u r r e n t l i m i t e r ) a n d c o m p a r i n g

t h e t w o o u t p u t v o l t a g e s . T h e l e v e l o f t h e d e t e c t o r i n t h e a i n p l i t u d em o d u l a t i o n r e c e i v e r w a s o f c o u r s e s e t w i t h t h e h a l f c a r r i e r v a l u e o f t h e

s i g n a l g e n e r a t o r a n d t h e o u t p u t v o l t a g e m e a s u r e d a t t h a t l e v e l . T h e

o u t p u t v o l t a g e o f t h e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n s y s t e m w a s m e a s u r e d

w h e n t w i c e t h a t v o l t a g e w a s a p p l i e d .I t i s i m p o r t a n t t o k e e p i n m i n d j u s t w h a t q u a n t i t i e s h a v e b e e n m e a s -

u r e d a n d w h a t t h e c u r v e s s h o w . T h e r e s u l t s a r e a c o m p a r i s o n i b e t w e e n

t h e r e l a t i v e n o i s e l e v e l s i n t h e t w o s y s t e m s ( r o o t - m e a n - s q u a r e v a l u e s )w h e n t h e y a r e u n m o d u l a t e d . I n b o t h a n a m p l i t u d e a n d i n a f r e q u e n i c ym o d u l a t i o n r e c e i v e r t h e n o i s e d u r i n g m o d u l a t i o n m ay b e g r e a t e r t h a l lt h a t o b t a i n e d w i t h o u t m o d u l a t i o n . I n t h e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n r e -c e i v e r t w o p r i n c i p a l s o u r c e s m ay c o n t r i b u t e t o t h i s i n i e r e a s e , o n e o fw h i c h i s o f i m p o r t a n c e o n l y w h e r e t h e b a n d f o r w h i c h t h e r e c e i v e r i s

d e s i g n e d i s n a r r o w , t h e o t h e r o f w h i c h i s c o m m o n t o a l l b a n d w i d t h s .I f t h e t o t a l b a n d w i d t h o f t h e r e c e i v e r i s t w e n t y k i l o c y c l e s a n d i f t h e

d e v i a t i o n i s , f o r e x a m p l e , t e n k i l o c y c l e s , t h e n a s t h e c a r r i e r f r e q u e n c ys w i n g s o f f t o o n e s i d e o f t h e b a n d , i t a p p r o a c h e s c l o s e t o t h e l i m i t o ft h e f i l t e r i n g s y s t e m o f t h e r e c e i v e r . S i n c e t h e s i d e s o f t h e f i l t e r a r e

n o r m a l l y m u c h s t e e p e r t h a n t h e s e l e c t i v e s y s t e m e m p l o y e d t o c o n v e r t

t h e c h a n g e s i n f r e q u e n c y i n t o a m p l i t u d e v a r i a t i o n s a n d s i n c e t h e f r e -

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ele326 a method of reducing disturbances in radio signalling by a system of frequency modulation -...

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