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Mehrfach-Nachrichtenübertragungssystem
Die Erfindung betrifft ein Mehrfach-Nachrichtenübertragungssystem, insbesondere für Fernsprechen über kurze Entfernungen.
DerGesamtaufwand für einen Fernsprech-Hauptanschluss gliedert sich in die Kosten für den Orts-, Bezirks- und Weitverkehr auf.
In den letzten Jahren ist der Kostenanteil für den Weitverkehr durch die Einführung von Einseiten- band-Trägerfrequenzsystemen hoher Sprechkreiszahlen und Ubertragung der gebündelten Signale über koaxiale Leitungen oder drahtlose Wege wesentlich zurückgegangen. AuchderKostenanteilfürden Bezirksverkehristgefallen, da auch hier einfache Trägerfrequenzgeräte mit Ein- oder Zweiseitenbandübertragung Eingang gefunden haben ; neuerdings werden auch Pulsmodulationssysteme eingesetzt, die an die Übertragungseigenschaften der Leitungen geringere Anforderungen stellen.
Demgegenüber hat sich das Bestreben, das Fernsprech-O"tsnetz mehrfach auszunutzen, bisher vor allem in den europäischen Ländern nicht nennenswert durchsetzen können. Dies liegt vor allem an der ver- hältnismässig geringen Ausdehnung der Ortsnetze : In der Deutschen Bundesrepublik haben z. B. zwei Drittel aller Teilnehmeranschlussleitungen eine Länge unter 2 km und die durchschnittliche Länge der Verbindungsleitungen der Ortsämter untereinander beträgt nur etwa 4 km. Nach dem heutigen Stande der
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mchrfach-Nachrichtenübertragungssystem zu finden, das sich insbesondere für Fernsprechen über kurze Entfernungen eignet.
Gemäss der Erfindung ist dieses Mehrfach-Nachrichteniibertragungssystem dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Signale in ihrer ursprünglichen Frequenzlage auf getrennten Kabelleitungen mit Kupferleitern mit möglichst kleinem Durchmesser bis zu einer unteren Grenze von etwa 0,2 mm übertragen werden ; zur gemeinsamen Entdämpfung einer Mehrzahl dieser Leitungen werden Mehrfachverstärker eingefügt, die jeweils aus einer gemeinsamen Verstärkeranordnung und einer entsprechenden Anzahl unmittelbar vor-und nachgeschalteter Umsetzer bestehen, die die einzelnen Signale nach dem Frequenzoder Zeitmultiplexverfahren bündeln und entbündeln.
Ein Kabelleiterdurchmesser von etwa 0, 2 mm stellt etwa die untere Grenze dar, die sich bei der Herstellung und beim Einsatz noch sicher beherrschen lässt. Zur Isolierung der Leiter kann beispielsweise Poly- äthylen verwendet werden. Zum Vergleich diene ein Kabel mit 0,4-mm-Leitern (den dünnsten Leitern, dieheuteim allgemeinen für kurze Teilnehmeranschlussleitungen benutzt werden). Bei gleichem Kabel-
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Kabel mit 0, 6- und 0,8-mm-Leitern, wie es für Verbindungsleitungen der Ortsämter untereinander verwendet wird, ergibt sich für 1 km Aderpaar noch eine wesentlich grössere Ersparnis.
Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit sieht die Erfindung eine gemeinsame Entdämpfung mehrerer Leitungen durch Mehrfachverstärker vor, bei denen einer gemeinsamen Verstärkeranordnung nach dem Fre- quenz- oder Zeitmultiplexverfahren arbeitende Umsetzer unmittelbar vor-und nachgeschaltet sind. Dieses Verfahren unterscheidet sich grundsätzlich von dem bekannten Verfahren der mehrfach ausgenutzten Leitung, bei dem die Bündelungsgeräte am Anfang und Ende der mit einem breiten Frequenzband belegten Leitung stehen und das Bündelungsverfahren sich daher nach den Eigenschaften der Leitung richten muss. DieseEinschränkung fällt bei den Umsetzern nach der Erfindung weg, so dass diese sehr einfach aufgebaut werden können.
BeiBündelungnach dem Frequenzmultiplexverfahren und bei Zweidrahtverbindungen werden Verstär- ker und Umsetzer verwendet, die gleiche Verstärker- bzw. Modulationseigenschaften in beiden Übertragungsrichtungen haben. Die gemeinsame Verstärkeranordnung eines Mehrfachverstärkers kann beispielsweise aus einem Zweidrahtverstärker mit Gabeln oder einem Verstärker mit negativen Widerständen bestehen. Es wird vorzugsweise Zweiseitenband-Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger angewendet, für die sich ausser Gegentakt- vor allem Doppelgegentaktmodulatoren mit Dioden eignen.
Von besonderemVorteilist, dass an die Frequenzgenauigkeit der Träger keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen, da jeweils zwei demselben Kanal zugeordneten Modulatoren derselbe Träger zugeführt wird.
Da die Trägerfrequenzlage frei wählbar ist, wird ein genügend grosser Trägerabstand vonbeispielsweise
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dieAnordnung insofern, als in jeder Leitung ein nur in einer Übertragungsrichtung wirksamer Trägerfrequenzverstärker verwendet wird ; insbesondere fallen hiebei die bei Zweidrahtverbindungen bestehenden Stabilitätsprobleme weg.
Bei Bündelung nach dem Zeitmultiplexverfahren gelten für Zweidraht- und Vierdrahtverbindungen ähnliche Überlegungen wie beim Frequenzmultiplexverfahren. Mit Vorteil werden bei der zeitlichen Bündelung der Signale parametrisch wirkende Schaltverstärker mit Resonanzübertragung verwendet.
Die durch die Verwendung extrem dünner Leiter erreichte Kostenersparnis pro Kilometer Aderpaar erlaubt gegebenenfalls einen Übergang von konventionellen Zweidrahtverbindungen mit Kabelleitern von 0, 6 mm Durchmesser und mehr auf Vierdrahtverbindungen mitsehr dünnen Kabelleitern und Mehrfachverstär-
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die Sprchkreiszahl ohne zusätzlichen Raumbedarf wesentlich erhöhen ; das ist vor allem in Grossstädten von Bedeutung, wo die Kosten für neue Röhren in Kabelgräben sehr hoch sind.
Mehrfach-Nachrichtenübertragungssysteme nach der Erfindung eignen sich vor allem für den Einsatz im Ortsnetz, u. zw. insbesondere für Ortsverbindungsleitungen. Eine zweckmässige Bündelungsstärke für die Mehrfachausnutzung der Verstärker liegt bei etwa sechs bis zwölf Kanälen. Der hohe Gleichstrom- widerstand der Leitungen und das Bündelungsprinzip erlauben nicht ohne besondere Massnahmen eine direkte Übertragung von Gleichstromzeichen für den Wahlvorgang. Für diese Zeichen werden daher zweckmä-
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für die Vermittlung erforderlichen Zeichen können aber auch über eine besondere Signalleitung übertragen werden, die für alle oder einen Teil der Niederfrequenzleitungen gemeinsam ist.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen von Mehrfachverstärkern für die gemeinsame Entdämpfung von sechs Leitungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in : Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Mehrfachverstärkers, Fig. 2 das Blockschaltbild eines Mehrfachverstärkers mit frequenzmässiger Bündelung für Zweidrahtverbindungen, Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines Zweidrahtverstärkers mit Gabeln für einen Mehrfachverstärker nach Fig. 2, Fig. 4 das Prinzipschaltbild eines Zweidrahtverstärkers mit negativen Widerständen für einen Mehrfachverstärker nach Fig. 2, Fig. 5 das Blockschaltbild eines Mehrfachverstärkers mit frequenzmässiger Bündelung für Vierdrahtverbindungen, Fig. 6 den Frequenzplan für einen Mehrfachverstärker mit frequenzmässiger Bündelung, Fig.
7 das Grundschaltbild eines parametrisch wirkenden Mehrfachverstärkers mit zeitlicher Bündelung für Zweidrahtverbindungen, Fig. 8 die zeitlichen Vorgänge bei einem Mehrfachverstärker nach Fig. 7 und Fig. 9 das Blockschaltbild eines Mehrfachverstärkers mit zeitlicher Bündelung für Vierdrahtverbindungen.
Das Prinzip eines Mehrfachverstärkers geht aus Fig. 1 hervor. Dem Umsetzer U1 werden sechs Leitungen K1 - K6 zugeführt, die beispielsweise mit sechs Niederfrequenz-Sprachbändern 0, 3-3, 4 kHz belegt sind ; in diesem Umsetzer wird entweder eine frequenzmässige oder zeitliche Bündelung der Nie- derfrequenzsignale vorgenommen. DasgesamteBündel der sechs Signale wird im Verstärker V gemein-
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sam verstärkt und im Unsetzer U2 wieder auf die sechs Niederfrequenzwege verteilt. Je nach Art des Verstärkers und bzw. oder der Umsetzer kann die Anordnung ungerichtet oder gerichtet arbeiten; man kann sie also für Zwei- oder Vierdrahtverbindungen verwenden.
DengrundsätzlichenAufbaueinesMehrfachverstärkers für Zweidrahtverbindungen mit Bündelung nach dem Frequenzmultiplexverfahren zeigt dasBlockschaltbild der Fig. 2. Zur Bündelung und Entbündelungder Signale sind in jeder der sechs Leitungen Kl - K6 jeweils zwei Frequenzumsetzer Ml1, M21-M16, M26 vorgesehen, die gleiche Modulationseigenschaften in beiden Übertragungsrichtungen haben ; als Modulatoren verwendet man zweckmässig Doppelgegentaktmodulatoren mit Dioden - z. B. Ringmodulatoren -, die zwei Seitenbänder liefern und den Träger unterdrücken. Zur Aussiebung der gewünschten Bänder von 2. 4 = 8 kHz Breite können ganz einfache Filter verwendet werden, wenn ein genügend grosser Trägerabstand von beispielsweise 15 kHz gewählt wird.
Ein solcher Frequenzumsetzer hat eine sehr geringe Durchgangsdämpfung von nur etwa 2 bis 3 dB.
Der Verstärker VZ hat gleiche Verstärkereigenschaften in beiden Übertragungsrichtungen, wie dies z. B. bei den bekannten Anordnungen nach den Fig. 3 und 4 der Fall ist. In Fig. 3 ist das Prinzipschaltbild eines Zweidrahtverstärkers dargestellt, der aus zwei Gabelschaltungen mit Nachbildungen Gl und G2 und zwei unidirektionalen Verstärkern VI und V2 für die beiden Übertragungsrichtungen besteht. Fig. 4 zeigt das Prinzipschaltbild eines sogenannten NLT-Verstärkers (NLT bedeutet negative Leitung mit Transistoren) ; ein solcher Verstärker enthält beispielsweise eine überbrückte T-Schaltung mit negativen Längsund Querwiderständen. Der Längswiderstand WI und der Querwiderstand W2 stellen Nachbildungen der zu entdämpfenden Leitung dar.
Zur Umformung in negative Widerstände dienen die Widerstandskonverter Kl und K2 mit dem Übersetzungsverhältnis 1 : I (z. B. rückgekoppelte Transistoren in Basisschaltung).
Um die Anforderungen an die Linearität des Verstärkers zu verringern, wird man eine so hohe Frequenzlage wählen, dass alle Trägerfrequenzkanäle in einem Band liegen, das eine Oktave nicht überschreitet.
Wie der Frequenzplan der Fig. 6 zeigt, liegen beim Ausführungsbeispiel die Doppelbänder der sechs Kanäle bei einem Trägerabstand von 15 kHz im Frequenzbereich zwischen 100 und 200 kHz.
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Träger (z. B. Tl). Wie schon erwähnt, sind die Anforderungen an die Frequenzgenauigkeit der Träger gering.
Für den Aufbau eines Mehrfachverstärkers mit frequenzmässiger Bündelung für Vierdrahtverbindungen gelten ähnliche Gesichtspunkte wie für die Endgeräte von Trägerfrequenz-Vierdraht-Gleichlagesystemen.
Wie das Blockschaltbild der Fig. 5 zeigt, sind in jeder Leitung einfache richtungsabhängige T rägerfrequenz- verstärker VT und VT'angeordnet. Den vier Modulatoren eines Sprechkreises (z. B. Mll, M21 und Mll', M21') wird jeweils ein gemeinsamer Träger (z. B. Tl) zugeführt. Als Modulatoren dienen auch hiebei zweckmässig Doppelgegentaktschaltungen mit Dioden.
Bei Mehrfachverstärkern mit Bündelung nach dem Zeitmultiplexverfahren können mit Vorteil parame- trisch wirkende Schaltverstärker mit Resonanzübertragung verwendet werden. Derartige Schaltverstärker für einen einzigen Übertragungsweg wurden bereits vorgeschlagen, u. zw. sowohl für uni-wie auch für bidirektionalenBetrieb. IhreAnwendung und Abwandlung bei Mehrfachverstärkern für Zweidraht- und Vierdrahtverbindungen wird im folgenden gezeigt.
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mit einem als Eingangs- bzw. Ausgangsspeicher dienenden Kondensator Cll, C21-C16, C26 enden.
Zwischen den Speicherkondensatoren und der gemeinsamen Verstärkeranordnung VR liegen im Längszweig jeder Niederfrequenzleitung zwei Abtastschalter (z. B. Sll, S21 in Leitung M) ; mit Hilfe dieser elektronischen Kurzzeitschalter wird die Energie zwischen zwei jeweils derselben Leitung zugeordneten Speichern über die gemeinsame Verstärkeranordnung in beiden Übertragungsrichtungen ausgetauscht und verstärkt. Die Energieübertragung geschieht zeitlich nacheinander in jeder Leitung in einer gegenüber der Schaltperiode der Schalter kurzen Zeit. Die Umsetzer zur zeitlichen Bündelung der Signale bestehen also jeweils aus einem Tiefpass und einem Abtastschalter.
Die gemeinsame Verstärkeranordnung VR enthält ein zur Eingangs-und Ausgangs-Speicherreak- tanz frequenzreziprokes Glied, beim Ausführungsbeispiel also eine Spule Lp, deren Induktivitätswert veränderbar ist ; sie dient gleichermassen als Schwingspule für die Resonanzüber : ragungund als Zwischen-
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speicher. Zu beiden Seiten der Spulen Lp liegen im Querzweig zwei elektronische Schalter Sl und S2. Diese beiden Schalter bestimmten durch ihre Schaltfolge die Richtung der Energieübertragung sie werden daher im folgenden Richtungsschalter genannt. Ausserdem entkoppeln sie den Eingangs-vom Ausgangsspeicher und ermöglichen so eine reflexionsfreie Übertragung, wie sie bei Zweidrahtbetrieb aus Stabilitätsgründen erforderlich ist.
Die Wirkungsweise des Mehrfachverstärkers nach Fig. 7 soll an Hand der in Fig. 8 gezeigten zeitlichen Vorgänge erklärt werden. Es wird zuerst die Energieübertragung in der Niederfrequenzleitung Kl in Richtung vom Speicherkondensator Cll zum Speicherkondensator C21 betrachtet, die im Zeitraum
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ist nach einer viertel Periodendauer der sinusförmigen Stromschwingung J, hat diese ihren Scheitelwert erreicht und die Energie ist vom Speicherkondensator Cll auf die Spule Lp übergegangen ; in diesem Augenblick werden der Schalter Sl geschlossen, der Schalter S2 geöffnet und der Induktivitätswert
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Zum Zeitpunkt t3 ist der Strom J auf Null abgesunken und die Spannung U2 am Ausgangsspeicher C21 hat innerhalb des betrachteten Abtastvorgangs ihr Maximum erreicht ; damit ist der Umladevorgang beendet und die Abtastschalter S11 und S21 und der Richtungsschalter Sl öffnen, so dass wieder sämtliche Schalter offen sind (Fig. 8, Zeilen a, d, e). Die Abtastzeit t3-tl mussso bemessen
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densator von der Signalstromquelle zur Rechten auf eine bestimmte Spannung U2'aufgeladen worden.
ZumZeitpunkt tl'schliessendieAbtastschalter S21, S11 und der Richtungsschalter Sl. Im Zeitpunkt t2'öffnet Sl und schliesst S2, ausserdem wird der Induktivitätswert der Spule Lp rasch verkleinert. Beim Wechsel der Übertragungsrichtung wird also die Schaltfolge und auch die Schaltdauer der beiden Richtungsschalter SlundS2 innerhalb der Abtastzeit vertauscht, wie dies aus den Zeilen d und e der Fig. 8 deutlich zu ersehen ist. Die Energieübertragung geschieht in der schon besprochenen Wei-
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- t3tung ergeben sich ähnliche Vereinfachungen wie bei der Anordnung nach dem Frequenzmultiplexverfahren : Gemeinsame Steuerimpulsfolge für je zwei Abtastschalter und frei wählbare Abtastfrequenz.
DieAbtastfrequenz, die wenigstens das Doppelte der höchsten Signalfrequenz betragen muss, wird man so hoch wählen, dass keine Schwierigkeiten im Frequenzgang eintreten. Für eine zeitliche Bündelung von sechsKanälen, wie sie dem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt, beträgt ein zweckmässiger Wert für dieAbtastfrequenz etwa 15 kHz. Dies bedeutet einen Impulsabstand von To RI 67 lis pro Kanal bei Übertragung innur einer Richtung ; bei wechselzeitiger Übertragung in beiden Richtungen beträgt der Impulsabstand pro Kanal etwa 33 bis. In der gemeinsamen Verstärkeranordnung VR ist der Impulsabstand bei sechs Kanälen etwa 5, 5 jus, entsprechend einer Pulsfolgefrequenz von 180 kHz.
Bei einer Abtastzeit von etwa 2 lis, die einfache elektronische Schalter erlaubt, entstehen genügend grosse Lücken, um Nebensprechen durch Überschwingen der Impulse zu vermeiden. Die Grenzfrequenz der Tiefpässe wird zweckmässig knapp über die halbe Abtastfrequenz gelegt.
Die elektronischen Schalter, die vorzugsweise Gleichrichter enthalten, und die veränderbare Induktivität Lp werden von Schaltimpulsen gesteuert, die die Pulsversorgung Pv liefert (Fig. 7). Die zeitliche Folge und die Dauer dieser Schaltimpulse sind aus Fig. 8 zu ersehen. Zweckmässig wird in der Puls-
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schwingt ; dabei bedeutetfrequenz für eine Ubertragungsrichtung (fo = 15 kHz). An die Frequenzgenauigkeit dieses G enerators wer- den keine besonderen Anforderungen gestellt. Dieser Grundgenerator steuert beispielsweise über Phasenschieber drei monostabile Multivibratoren, die die Schaltimpulse P1 und P2 für die Richtungsschalter
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;Anstatt der in Fig. 7 gezeigten Schaltungsanordnung kann auch die dazu duale Schaltung gewählt werden. In diesem Fall sind die Tiefpässe als untereinander gleiche T-Glieder ausgebildet, die mit einer Spule enden, und die Abtastschalter stellen Ruhekontakte im Querzweig dar, die während der Abtastzeit öffnen. In der gemeinsamen Verstärkeranordnung ist als Zwischenspeicher ein veränderbarer Kondensator im Querzweig vorgesehen. Die Richtungsschalter zu beiden Seiten des Zwischenspeichers werden durch zwei Ruhekontakte im Längszweig gebildet, die während der Abtastzeit nacheinander öffnen.
Das Prinzip des parametrisch wirkenden Schaltverstärkers mit Resonanzübertragung kann auch beim
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meinsamen Verstärkeranordnungen VR dürfen hiebei jeweils nur in einer Übertragungsrichtungwirksam sein.
Die in Fig. 7 gezeigte Schaltungsanordnung kann für die beiden Übertragungsrichtungen übernommen werden, lediglich das Steuerprogramm für die Richtungsschalter Sl und S2 vereinfacht sich, da die Schaltfolge licht mehr gewechselt werden muss. Für die zeitlichen Vorgänge gilt also nur die eine Hälfte des Diagramms der Fig. 8, die sich nunmehr über eine Abtastperiode To 0 erStreckt ; die Schaltfolge der Abtastschalter entspricht hiebei der Abtastfrequenz, die beispielsweise 15 kHz beträgt.
Bei dem in Fig. 9 gezeigten Mehrfachverstärker mit zeitlicher Bündelung für Vierdrahtverbindungen werden keine parametrisch wirkenden Schaltverstärker, sondern einfache unidirektionale Pulsverstärker VP und VP'verwendet. Die Arbeitsweise dieser Anordnung entspricht bezüglich der Abtastung etwa den üblichenPulsmodulationssystemen. Die Tiefpässe Fll, F21 usw. sind hiebei mit ohmschen Widerständen Rill, R21 usw. abgeschlossen und der Pulsverstärker hat zweckmässig einen hochohmigen Eingangsund einenniederohmigenAusgangswiderstand. Den vier Abtastschaltern eines Sprechkreises (z. B. Sll, S21 und Sll', S21') wird jeweils eine gemeinsame Schaltimpulsfolge (z. B.
P10) zugeführt.
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