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Die
Erfindung betrifft ein lokales Netz nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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In
lokalen Netzen (Local Area Networks = LAN), bei denen die physische
Datenübertragung beispielsweise über 2 Leitungspaare
(Twisted pairs) bzw. 4 Datenleitungen erfolgt, wird die Signalein-
und Signalauskopplung mit Übertragern
vorgenommen.
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Ein
lokales Netz dieser Art weist die in 1A und 1B gezeigte typische Konfiguration
auf. In den Figuren, von denen 1A den
Signalfluss vom Endgerät
zum Switch und 1B den
Signalfluss in Gegenrichtung zeigt, sind mit DPD1 und
DPD2 Sendetreiber am Endgerät und mit
DS1 und DS2 Sendetreiber
am Switch und mit APD ein Empfangsverstärker am
Endgerät
und mit AS ein Empfangsverstärker am
Switch bezeichnet. Die Übertrager
sind hier einheitlich mit Ü bezeichnet,
und für
die Empfangsseite steht jeweils Rx und für die Sendeseite Tx. Mit diesen
Bezugszeichen sind die 1A und 1B selbsterklärend, so
dass hier keine genauere Beschreibung erforderlich ist.
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Zur
Dimensionierung der den jeweiligen Sendetreibern nachgeschalteten
Widerstände
wird noch angemerkt, dass deren Widerstandswert in Abhängigkeit
vom Übersetzungsverhältnis des
nachgeschalteten Übertragers
bestimmt wird (wie in den Figuren gekennzeichnet).
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Weiter
wird zu diesem Stand der Technik folgendes angemerkt:
Im Beispiel
wird zur einfacheren Darstellung die übliche Kabelimpedanz von 100 Ω angenommen.
Bei abweichenden Kabelimpedanzen müssen die Abschlusswiderstände entsprechend
angepasst werden. In Empfangsrichtung (Rx) werden in der Regel Übertrager
mit einem Übersetzungsverhältnis Ü von 1:1
eingesetzt. In Senderichtung (Tx) werden abhängig von der Signal-Ausgangsspannung
des Sendetreiber-Schaltkreises neben Übertragern mit einem Ü von 1:1
auch Übertrager
mit einem Ü ≠ 1 (meist > 1) verwendet.
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Übertrager
weisen einen relativ hohen Raumbedarf – insbesondere eine große Bauhöhe – auf und
erzeugen relativ hohe Kosten gegenüber anderen elektronischen
Standard-Bauelementen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe der Bereitstellung eines verbesserten
lokalen Netzes zugrunde, welches im Bereich der Übertrager besonders kompakt
gestaltet und zudem kostengünstig ausgeführt ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein lokales Netz mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Ein
wesentlicher Gedanke der Erfindung ist es, zur Raum- und/oder Kostenersparnis
die Übertrager
durch elektronische Komponenten zu ersetzen. Neben der Switch-Seite
(Hub, CED) kann die Lösung insbesondere
in an lokalen Netzen angeschlossenen Endgeräten (DTE) eingesetzt werden,
wie z.B. VoIP-Phones,
WLAN-Acesspoints, Bluetooth-Accesspoints usw.
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Wesentliche
Voraussetzung der Lösung
ist, dass keine galvanische Trennung der Geräte (Switch, Endgerät) zur Leitung
erforderlich ist.
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Für besondere
Anwendungen ist zur Realisierung eines von 1:1 verschiedenen Übersetzungsverhältnisses
in Senderichtung ein zusätzlicher
Verstärker
oder Abschwächer
vorgesehen. In einer einfachen und zuverlässigen Ausführung ist der zusätzliche
sendeseitige Verstärker
bzw. Abschwächer
als Eintakt-A-Verstärker ausgebildet
ist, dessen Arbeitswiderstand insbesondere zugleich den entsprechenden
Leitungsabschluss realisiert.
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Weitere
zweckmäßige Fortbildungen
des Erfindungsgedankens sehen zum einen vor, dass in die 2-Draht-Empfangsleitungen
Koppelkondensatoren zur Erhöhung
der Gleichtaktunterdrückung
und/oder zur Realisierung einer Speisespannungsversorgung der Geräte über die
Signalleitungen eingefügt
sind. Zum anderen wird hiermit vorgeschlagen, dass in die 2-Draht-Sendeleitungen
Koppelkondensatoren zur Verringerung der Empfänger-Empfindlichkeit gegen Bauteiletoleranzen
der Sendeverstärker
und/oder zur Realisierung einer Speisespannungsversorgung der Geräte über die
Signalleitungen eingefügt
sind.
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Vorteile
und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich im übrigen
aus den abhängigen Ansprüchen sowie
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der
Figuren. Von diesen zeigen:
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1A und 1B eine
LAN-Konfiguration mit herkömmlichen Übertragern,
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2A und 2B eine
erfindungsgemäße LAN-Konfiguration
für ein Übertragungsverhältnis von Ü = 1:1 in
Empfangs- und Senderichtung,
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3A und 3B eine
LAN-Konfiguration für
ein Übersetzungsverhältnis Ü > 1 in Senderichtung,
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4 eine
an 2B angelehnte Darstellung einer Ausführungsform
der Erfindung zur Verdeutlichung zusätzlicher Maßnahmen auf der Switch-Sendeseite
und
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5A und 5B an 3A und 3B angelehnte
Darstellungen einer LAN-Konfiguration in einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung.
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Für den Fall
eines Übersetzungsverhältnisses
von Ü =
1:1 (Empfangs- und Senderichtung) gilt – unter Bezugnahme auf
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2A und 2B (die
wiederum selbsterklärend
sind) – folgendes:
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Empfangsrichtung
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Prinzipiell
erfolgt der Ersatz des Übertragers in
Empfangsrichtung (Rx) durch einfaches Verbinden der (LAN-)Leitung
mit den Eingängen
des Empfangsverstärkers.
Dies ist möglich,
da einerseits das Übersetzungsverhältnis des Übertragers
in Empfangsrichtung 1:1 beträgt
und andererseits die Leitung in der Regel potenzialfrei ist, so
dass keine Beeinflussung der Arbeitspunkteinstellung des Empfangsverstärkers erfolgt.
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Es
ist empfehlenswert, zur Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung (Common
Mode Rejection = CMR) des Empfangsverstärkers – insbesondere bei hohen Frequenzen – stromkompensierte
Drosseln (CMR Chokes) in Serie zwischen LAN-Leitung L und Empfangsverstärker AS bzw. APD zu schalten.
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Senderichtung
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In
Senderichtung (Tx) erfolgt der Ersatz des Übertragers ebenfalls durch
einfaches Verbinden der (LAN-)Leitung mit den (Serien-)Anpasswiderständen des
Sendetreibers.
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Für den Fall
eines Übersetzungsverhältnisses
von Ü > 1 in Senderichtung
(bei Ü =
1:1 in Empfangsrichtung) gelten unter Bezugnahme auf die 3A und 3B die
nachfolgenden Anmerkungen.
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In
diesen Figuren wird von der Prinzipdarstellung in 2A und 2B ausgegangen,
und es werden zunächst
die gleichen Bezugsziffern wie dort verwendet. Insoweit ist hier
keine erneute Erläuterung
erforderlich. Gegenüber 2A sind
sendeseitig am Endgerät
(3A) zwei Transistoren T1 und T2 mit jeweils zugeordnetem
Spannungsteiler-Netzwerk R1/R2/R3 und einem – vom jeweiligen Sendetreiber
DPD1, DPD2 her vorgeschalteten – Koppelkondensator
C1 vorgesehen. Analog ist, wie in 3B zu
erkennen, sendeseitig auch der Switch ausgebildet.
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Empfangsrichtung
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Prinzipiell
erfolgt der Ersatz des Übertragers in
Empfangsrichtung wieder durch einfaches Verbinden der (LAN-)Leitungen
mit den Eingängen
des Empfangsverstärkers.
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Senderichtung
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Ein
einfaches Verbinden der (LAN-)Leitung auch in Senderichtung ist
bei einem Übersetzungsverhältnis von Ü ≠ 1 nicht möglich.
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In
Senderichtung werden in der Regel Übertrager mit einem Übersetzungsverhältnis Ü > 1 verwendet. Zur Kompensation
der Erhöhung
der Signalspannungen auf der Leitung durch den Sende-Übertrager
muss bei übertragerloser
Signaleinkopplung eine Vorverstärkung
des Signals vorgenommen werden. Diese Vorverstärkung kann prinzipiell mit
kommerziell verfügbaren
integrierten Verstärkern
erfolgen.
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Hier
sind technisch Video-Operationsverstärker empfehlenswert, die die
erforderliche hohe Bandbreite und Slew-Rate aufweisen. Obwohl geeignete
Video-Operationsverstärker – bei hohen
Stückzahlen – zu relativ
geringen Preisen erhältlich
sind, erscheint jedoch ein Einsatz des Sendeübertragers bei Verwendung von
Video-Operationsverstärkern zur
dann erforderlichen Signalverstärkung
heute (noch) nicht als wirtschaftlich. Die Realisierung des erforderlichen
Signalverstärkers
mit diskreten Bauelementen erscheint derzeit als wirtschaftlicher
als die Verwendung integrierter Schaltkreise.
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Als
Leitungstreiber – im
Switch oder Endgerät – werden üblicherweise
Gegentaktendstufen verwendet. Die Realisierung eines diskret aufgebauten Verstärkers mit
Gegentaktstufe stößt jedoch
auf technische Hürden.
Insbesondere die Vermeidung der sog. Übernahmeverzerrungen sowie
die hohe Bandbreite und Slew-Rate erfordern eine relativ hohe Anzahl
von diskreten Bauelementen – vor
allem, wenn auf Abgleichmaßnahmen
(Ruhestromeinstellung) verzichtet werden soll.
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In
bevorzugter Ausführung
der Erfindung wird daher folgende einfache und kostengünstige Lösung vorgeschlagen,
die die oben genannten Nachteile vermeidet:
Anstelle der üblichen
Gegentakt-Endstufen werden als Leitungstreiber Eintakt-A-Endstufen
eingesetzt. Hierbei werden die zur Anpassung an die Leitung notwendigen
Sendeimpedanzen (speziell 2 × 50 Ω), die bei
Gegentaktendstufen in Serie zu den Endstufen liegen, direkt als
Arbeitswiderstand (Kollektorwiderstand) der Eintakt-A-Endstufe verwendet
und bilden so, parallel zu Leitung liegend, den erforderlichen Leitungsabschluss.
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Kern
der Eintakt-A-Endstufen sind die Transistoren T1 und T2. Durch die
Widerstände
R1 und R2 wird der Gleichstromarbeitspunkt von T1 und T2 eingestellt.
Gleichzeitig wird mit den Widerständen R1, R2, R3 auch die Signalverstärkung eingestellt. Zur
Vermeidung einer Verschiebung des Gleichstrom-Arbeitspunktes von T1, T2 durch die
Offset-Gleichspannung (Gleichspannungs-Beaufschlagung) des Sendetreibers
erfolgt die Ankopplung über die
Koppelkondensatoren C1. Diese Kondensatoren können im Falle einer Dimensionierung
der Widerstände
R1, R2, R3 unter In-Rechnung-Stellung der Offset-Gleichspannung
entfallen.
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Prinzipiell
kann mit Widerständen
R1, R2, R3 auch eine Signalabschwächung (bei Ü < 1) realisiert werden. Eine Signalabschwächung kann
allerdings einfacher durch Ersatz der 50 Ω-Serien-Sendewiderstände in der Lösung für Ü = 1:1 (siehe 2A/2B)
durch einfache Spannungsteiler erreicht werden, wie in 4 gezeigt.
Zur Abblockung der Offset-Gleichspannung der Sendetreiber sollten diese über Koppelkondensatoren
an die Spannungsteiler angeschaltet werden. Zur Anpassung an die (LAN-)Leitung
sollte die Parallelschaltung der Widerstände Ra und Rb 50 Ω betragen.
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5A und 5B zeigen
LAN-Konfiguration mit ergänzenden
Maßnahmen
zur Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung auf der Empfangsseite bzw.
zur Vermeidung von Offset-Gleichspannungen in Senderichtung. Gegenüber den
in 3A und 3B gezeigten
Konfigurationen (auf die hiermit Bezug genommen wird und die im
bereits bekannten Umfang nicht nochmals erläutert werden) sind jeweils
sendeseitig am Endgerät
(5A) bzw. am Switch (5B) Koppelkondensatoren
C2 und empfangsseitig am Switch (5A) bzw.
am Endgerät (5B)
Koppelkondensatoren C3 in den Signalleitungen vorgesehen.
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Empfangsrichtung
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Zur
Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung (CMR) des Empfangsverstärkers – insbesondere
bei tiefen (Netz-)Frequenzen – können die
Koppelkondensatoren C3 eingesetzt werden. Diese bilden mit den beiden
50 Ω-Widerständen sowie
dem Kondensator C einen Hochpass. Weiterhin wird die Empfangsrichtung
durch die Koppelkondensatoren C3 auch für über die Signalleitungen gespeiste
lokale Netze einsetzbar. Zusätzlich
vereinfachen Koppelkondensatoren ggf. Maßnahmen gegen Überspannungen.
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Senderichtung
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Bei
nicht identischen Verstärkern
T1 und T2 – z.B.
durch Bauteiletoleranzen – kann
es zu einer Offset-Gleichspannung (einem Gleichspannungsunterschied)
zwischen den Kollektoren von T1 und T2 kommen. Dies sollte vermieden
werden, falls beispielsweise auf der jeweiligen Gegenstelle (Switch oder
Endgerät)
auch Geräte
mit Signalübertragern vorzufinden
sind. Eine Offsetspannung kann in Übertragern zur Sättigung
des Übertragerkerns
führen und
somit die Signalübertragung
verzerren oder sogar völlig
verhindern.
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Eine
einfache Lösung
zu Verhinderung der Einspeisung einer Offset-Gleichspannung in die
Leitung ist das Einfügen
des (mindestens einen) Koppelkondensators C2. Auch Symmetriegründen sollte
in beide Sendeleitungen jeweils ein Kondensator C2 eingefügt werden.
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Analog
zur Empfangsrichtung gilt: Weiterhin wird die Senderichtung durch
die Koppelkondensatoren C2 auch für über die Signalleitungen gespeiste lokale
Netze einsetzbar. Zusätzlich
vereinfachen Koppelkondensatoren ggf. Maßnahmen gegen Überspannungen.
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Die
Ausführung
der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern ebenso
in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns
liegen. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die oben beschriebenen
Schaltungsanordnungen sowohl nur in Sende- oder nur in Empfangsrichtung
als auch nur im Switch oder nur im Endgerät eingesetzt werden können. Des
weiteren sind Abwandlungen hinsichtlich der konkreten Ausführung von
Verstärkungs-
bzw. Dämpfungsabschnitten
und der Signalkopplungsmittel möglich,
auf die oben teilweise bereits hingewiesen wurde.
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- APD, AS
- Empfangsverstärker
- C,
C1, C2, C3
- Kondensator
- DPD1, DPD2, DS1, DS2
- Sendeverstärker-Einheit
- L
- Signalleitung
- PD
- Endgerät
- R1,
R2, R3
- Widerstand
- Rx
- Empfangsseite
- T1,
T2
- Verstärker (Transistor)
- Tx
- Sendeseite
- Ü
- Übertrager