-
Schaltungsanordnung zur übertragung impulsförmiger Daten über Trägerfrequenz-Fernsprechkanäle
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Übertragung impulsförmiger
Daten -insbesondere von Schnelltelegrafiezeichen - mittels Amplitudenmodulation
nach dem Zweiseitenbandverfahren über Trägerfrequenz-Fernsprechkanäle, die nach
dem Einseitenbandverfahren gebündelt sind.
-
Zur formgetreuen Übermittlung impulsförmiger Daten über Trägerfrequenzsysteme,
bei denen die sende- und empfangsseitigen Trägergeneratoren nicht phasenstarr synchronisiert
sind, wird im allgemeinen ein Träger getastet und dieser mit den beiden Seitenbändern
innerhalb des Sprechkanals übertragen. Indes sind Trägerfrequenz-Fernsprechkanäle
im Ausmaß ihres verfügbaren Bandes nicht ohne weiteres für die Übertragung impulsförmiger
Daten geeignet, da durch die Frequenzabhängigkeit von Dämpfung und Laufzeit starke
Zeichenverzerrungen und Einschwingvorgänge auftreten, die auch als Echos aufgefaßt
werden können. Wie Fig.1 zeigt, sind bei einem Trägerfrequenz-Fernsprechkanal die
Dämpfungsverzerrungen da innerhalb des zu übertragenden Frequenzbandes B,
das z. B. von 300 bis 3400 Hz reicht, sehr klein; außerhalb des Übertragungsbereiches
steigt die Dämpfung steil auf hohe Werte an. Der Dämpfungsverlauf entspricht also
weitgehend dem eines idealen Filters, dessen Dämpfung innerhalb des Übertragungsbereiches
Null und außerhalb unendlich groß ist. Die Antwort eines idealen Filters - das keine
Laufzeitverzerrungen besitzt - auf einen Dirac-Impuls (ein Impuls verschwindend
kurzer Dauer, dessen Produkt aus Dauer und Höhe den Wert 1 Sekunde hat) ist. bekanntlich
eine sinx -Funktion, wie sie in Fig. 4 die gestrichelte Kurve a zeigt. Durch den
scharfen Dämpfungssprung an den Rändern des Durchlaßbereiches treten starke und
lang andauernde Ein- und Ausschwingvorgänge auf. Diese Zeichenverzerrungen werden
bei Trägerfrequenz-Fernsprechkanälen noch durch die hinzukommenden Laufzeitverzerrungen
dz vergrößert, die an den Rändern des Übertragungsbereiches für eine Sende- und
Empfangsumsetzung etwa 3 msec betragen (Fig. 1).
-
Es wurde bereits versucht, durch Laufzeitentzerrer die Laufzeit innerhalb
des Übertragungsbereiches konstant zu halten. Ein derartiger aus Allpaßgliedern
bestehender Laufzeitentzerrer erfordert einen außerordentlich großen Aufwand: Um
z. B. die Laufzeitverzerrungen von 3 auf 0,1 msec herabzusetzen, benötigt man 28
Spulen und ebensoviel Kondensatoren. Es bleiben dann aber immer noch die starken
Echos, die durch den steilen Dämpfungsanstieg verursacht sind. Bei der Übertragung
impulsförmiger Daten über ein Trägerfrequenzsystem muß der zeitliche Verlauf der
Impulse auf eine bestimmte Dauer begrenzt werden. Je kürzer diese Zeit ist, um so
schneller kann man Zeichen übertragen, und je kleinere Amplituden des Zeichens man
außerhalb der ihm zugeordneten Zeit zuläßt, um so weniger werden folgende Zeichen
gestört. Bildet man mit Hilfe von Filtern frequenzmäßig nebeneinanderliegende Kanäle,
so müssen diese Filter zwei Aufgaben erfüllen: Störsignale aus den Nachbarkanälen
müssen durch ausreichende Sperrdämpfungen unterdrückt werden, und Störsignale aus
dem eigenen Kanal, hervorgerufen durch Echos vorhergehender Zeichen, müssen durch
einen rasch abklingenden Ausschwingvorgang der Signale vermieden werden. Beide Aufgaben
sind gleich wichtig. Es hat also keinen Sinn, die Sperrdämpfung der Filter zu erhöhen,
wenn man nicht ebenfalls die Zeichenechos kleiner macht.
-
O. Herrmann und W. Schüßler haben das Einschwingverhalten von Filtern
untersucht und ein Bewertungsmaß M dafür aufgestellt (s. Aufsatz »Zur Auswahl von
Filtern mit günstigem Einschwingverhalten«, Archiv der elektrischen Übertragung,
Bd. 14, 1960, H.4, S. 183). Das Bewertungsmaß ist M = fgtg; dabei ist
2f9 die Frequenzbandbreite des Kanals, in der die Dämpfung unter einer geforderten
Sperrdämpfung bleibt, und t9 die Zeit, während der die Antwortfunktion auf einen
Dirac-Impuls sich über einen vorgegebenen Bruchteil ihres Maximalwertes erhebt.
Je kleiner M ist, desto besser ist die Forderung
nach einem kurzen
Einschwingvorgang bei begrenztem Frequenzband im Rahmen der gestellten Genauigkeitsansprüche
erfüllt.
-
In der deutschen Patentschrift 933 930 und dem Aufsatz »Wechselstromtelegraphie
mit Frequenzmodulation im Rahmen der WT-100-Technik« (Nachrichtentechnische Zeitschrift,
1963, H. 8, S. 397) sind Filter für Schmalband-Telegrafiesysteme mit Frequenzmodulation
beschrieben, bei denen die Dämpfungskurve einen durchhängenden, kettenlinienförmigen
Verlauf aufweist. Die Steilheit der Flanken der Dämpfungskurve der Sende- und Empfangsfilter
wird dem Frequenzhub entsprechend gewählt und läßt sich gegebenenfalls durch Verschieben
der Pole des Filters in gewissen Grenzen variieren. Durch einen im Durchlaßbereich
weitgehend linearen Phasenverlauf wird erreicht, daß die Empfangsfunktion eine geringe
Welligkeit hat und im Nulldurchgang ausreichend steil verläuft. Ein solches Filter
zeigt also ein günstiges Einschwingverhalten für frequenzmodulierte Schwingungen,
bei denen Frequenzsprünge auftreten.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für amplitudenmodulierte
Schwingungen mit Amplitudensprüngen ein pulsformendes Netzwerk zu finden, das den
Dämpfungs- und Laufzeitverlauf des Trägerfrequenzkanals derart korrigiert, daß die
Impulse schnell einschwingen; dabei soll sich mit möglichst geringem Aufwand ein
möglichst kleines Bewertungsmaß M ergeben.
-
Eine Schaltungsanordnung zur Übertragung impulsförmiger Daten mittels
Amplitudenmodulation nach dem Zweiseitenbandverfahren über Trägerfrequenzkanäle,
die nach dem Einseitenbandverfahren gebündelt sind, ist gemäß der Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß in die Übertragungsstrecke ein pulsformendes Netzwerk einschaltbar
ist, das nach den Kanalrändern zu eine mit der Frequenz näherungsweise quadratisch
ansteigende Dämpfung und außerhalb der Kanalränder jeweils einen Dämpfungspol hat,
so daß die Gruppenlaufzeit bis zu Dämpfungen von etwa 1 N annähernd konstant ist
und an den Kanalrändern abfällt.
-
Die Dimensionierung des pulsformenden Netzwerkes nach der Erfindung
unterscheidet sich also von den gekannten Filtern für Wechselstromtelegrafie mit
Frequenzmodulation, weil sich ein Amplitudensprung anders auswirkt als ein Frequenzsprung.
-
Das pulsformende Netzwerk nach der Erfindung hat zusammen mit dem
Trägerfrequenz-Fernsprechkanal innerhalb der Kanalbandbreite B einen annähernd quadratischen
Dämpfungsgang, dem bekanntlich ein linearer Anstieg der Phase und damit eine konstante
Gruppenlaufzeit entspricht; dadurch gehen die durch die steilen Dämpfungskanten
des Trägerfrequenz-Fernsprechkanals verursachten Echostörungen auf ein Minimum zurück.
Außerdem wirkt die an den Kanalrändern monoton abfallende Gruppenlaufzeit des pulsformenden
Netzwerks dem Laufzeitanstieg des Trägerfrequenz-Fernsprechkanals entgegen, d. h.,
die stark laufzeitverzerrten Randbereiche des Fernsprechkanals i werden entzerrt.
Eine Laufzeitentzerrung - soweit überhaupt noch erforderlich - kann sich auf etwa
zwei Drittel der Kanalbandbreite beschränken. Der Aufwand für eine solche zusätzliche
Laufzeitentzerrung ist verhältnismäßig gering, da die resultierenden Verzerrungen
an den Kanalrändern nur noch klein sind. Ein pulsformendes Netzwerk mit dem oben
angegebenen Dämpfungs- und Laufzeitverlauf läßt sich -wie im folgenden gezeigt wird
- mit einem Abzweigfilter vierten Grades verwirklichen, das als Bandpaß nur vier
Spulen und sechs Kondensatoren enthält.
-
Schaltet man das pulsformende Netzwerk in eine Verbindung mit z. B.
fünf Trägerfrequenz-Modulationsabschnitten ein, die einer internationalen Fernverbindung
entspricht, so läßt sich mit CCI-Text bei einer zulässigen Zeichenverzerrung von
20 °/o eine Telegrafiegeschwindigkeit von 1500 Baud (entsprechend einer Punktfrequenz
von 750 Hz) erreichen; dabei sind keine zusätzlichen Laufzeitentzerrer verwendet.
Im betrachteten Fall, nämlich Zweiseitenband-Amplitudenmodulation und binäre Codierung,
sind die Baud-Zahlen gleich den Bit/sec-Werten. Will man den in Bitsec gemessenen
Informationsfluß erhöhen, so läßt sich dies gegebenenfalls durch mehrstufige Codierung
und/oder andere Modulationsverfahren erreichen.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird sendeseitig das impulsförmige
Datensignal vor Zu= führung in den Trägerfrequenz-Fernsprechkanal-in zwei Modulationsstufen
in ein Zweiseitenbandsignal umgeformt, derart, daß in der ersten Modulationsstufe
das impulsförmige Datensignal einen Träger tastet, dessen Frequenz (beispielsweise
22 kHz) wesentlich höher als die Punktfrequenz des Datensignals (beispielweise 900
Hz) liegt, daß der getastete Träger das pulsformende Netzwerk durchläuft, dessen
Mittenfrequenz gleich der Frequenz des Trägers ist, und daß das so entstandene Zweiseitenbandsignal
in der zweiten Modulationsstufe auf die Minenfrequenz des Trägerfrequenz-Fernsprechkanals
(beispielsweise 2 kHz)- umgesetzt wird. Die Maßnahmen zur Echounterdrückung sind
also auf der Sendeseite vor dem Eingang des Trägerfrequenz-Fernsprechkanals getroffen;
am Trägerfrequenzsystem selbst braucht nichts geändert zu werden.
-
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist bei Hintereinanderschaltung
vieler Trägerfrequenzabschnitte ein zusätzlicher Laufzeitentzerrer für einen Mittelwert
der zu erwartenden Laufzeitverzerrungen in die Übertragungsstrecke einschaltbar.
Wird z. B. in einer internationalen Fernverbindung mit fünf Trägerfrequenzabschnitten
ein zusätzlicher Laufzeitentzerrer für zwei Abschnitte eingeschaltet, so erhöht
sich unter den oben angegebenen Bedingungen die Telegrafiegeschwindigkeit von 1500
auf 1800 Baud (entsprechend einer Punktfrequenz von 900 Hz). Der Aufwand für den
Laufzeitentzerrer, der - wie obenerwähnt - wegen des pulsformenden Netzwerkes nur
etwa zwei Drittel der Kanalbandbreite zu entzerren braucht, ist relativ gering.
-
Mit besonderem Vorteil wird die Einschaltung des zusätzlichen Laufzeitentzerrers
abhängig von der Zahl der Trägerfrequenzabschnitte mit Hilfe des Wahlvorganges durch
die Leitweglenkung im abgehenden Knotenamt gesteuert.
-
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den F i g. 2 bis 6
dargestellten Ausführungsbeispielen und Diagrammen näherer läutert. Im einzelnen
zeigt F i g. 2 Dämpfung und Laufzeit des pulsformenden Netzwerkes gemäß der Erfindung
als Funktion der Frequenz, F i g. 3 die Sendeseite einer Schaltungsanordnung zur
Übertragung von Schnelltelegrafiezeichen über einen Trägerfrequenz-Fernsprechkanal,
F i g. 4 die Antwort eines idealen Filters und des pulsformenden Netzwerkes auf
einen Dirac-Impuls,
F i g. 5 die Schaltung des pulsformenden Netzwerkes
als Tiefpaß, F i g. 6 die Schaltung des pulsformenden Netzwerkes als Bandpaß, der
aus dem Tiefpaß nach F i g. 5 abgeleitet ist.
-
F i g. 2 zeigt die Dämpfung a und die Laufzeit z eines pulsformenden
Netzwerkes gemäß der Erfindung als Funktion der Frequenzf. Das pulsformende Netzwerk
F möge beispielsweise in einer Schaltungsanordnung liegen, wie sie in F i g. 3 dargestellt
ist; sein Durchlaßbereich B erstreckt sich dabei von 20,6 bis 23,7 kHz. F i g. 2
ist derart unter F i g. 1 gezeichnet, daß die in ihre natürliche Lage umgesetzten
Frequenzen der F i g. 2 denen der F i g. 1 entsprechen (bei Umsetzung des Bereichs
20,6 bis 23,7 kHz mit 24 kHz ergibt sich der Übertragungsbereich des Fernsprechkanals
von 0,3 bis 3,4 kHz); auf der Abszisse der F i g. 2 sind daher die Frequenzen von
rechts nach links aufgetragen.
-
Aus F i g. 2 ist zu ersehen, daß die Dämpfung a von der Mittenfrequenz
22 kHz aus nach den Kanalrändern zu annähernd quadratisch mit der Frequenz ansteigt
und außerhalb der Kanalränder jeweils einen Dämpfungspol hat. Die Gruppenlaufzeit
r ist bis zu Dämpfungen von 1 N annähernd konstant und fällt an den Kanalrändern
monoton ab. Da infolge der hohen Selektivität der Trägerfrequenzkanäle Störungen
aus Nachbarkanälen für die Datenübertragung keine Rolle spielen, braucht das pulsformende
Netzwerk im Bereich der Nachbarkanäle keine hohe Dämpfung zu halten.
-
In F i g. 3 ist die Sendeseite einer Schaltungsanordnung zur Übertragung
von Schnelltelegrafiezeichen über einen Trägerfrequenz-Fernsprechkanal dargestellt.
Der Zeichensender S liefert Gleichstrom-Telegrafiezeichen mit einer Geschwindigkeit
von beispielsweise 1800 Baud; dem entspricht eine Punktfrequenz von 900 Hz.
Die Gleichstromzeichen werden im Tastmodulator Ml durch Tastung eines Trägers in
Wechselstromzeichen umgeformt. Bekanntlich soll die Trägerfrequenz wesentlich größer
als die Punktfrequenz des Telegrafiesignals sein; beim Ausführungsbeispiel ist ein
Träger mit einer Frequenz von 22 kHz gewählt, den der Trägergenerator G1 liefert.
Die Wechselstromzeichen durchlaufen nun das pulsformende Netzwerk F, dessen in F
i g. 2 gezeigter Dämpfungs- und Laufzeitgang dafür sorgt, daß im Trägerf requenz-Fernsprechkanal
keine störenden Echos auftreten (über dem pulsformenden Netzwerk F ist das Amplitudenspektrum
des Signals angedeutet). Es folgt ein Ringmodulator M2, der mit Hilfe eines vom
Trägergenerator G2 gelieferten 24-kHz-Trägers das Doppelband der Zeichen in die
Frequenzlage um 2 kHz umsetzt. Das Signal wird schließlich im Verstärker V verstärkt,
von den Seitenbändern höherer Ordnung befreit und dann dem Eingang des Trägerfrequenz-Fernsprechkanals
TF zugeführt.
-
In F i g. 4 zeigt die gestrichelte Kurve a - wie eingangs erwähnt
- die Antwort eines idealen Filters auf einen Dirac-Impuls. Zum Vergleich stellt
die ausgezogene Kurve b die Verformung eines Dirac-Impulses beim Durchgang durch
das pulsformende Netzwerk gemäß der Erfindung dar; sie weist nur ein ganz geringes
Überschwingen auf. In F i g. 4 ist auf der Abszisse das Produkt tfg aufgetragen,
wobei t die Zeit und f9 die Frequenz bedeutet, bei der die Dämpfung des pulsformenden
Netzwerkes 4,6 N erreicht. Bei einer zugelassenen Abweichung der Antwortfunktion
von 10/, von ihrem Maximalwert ergibt sich für das pulsformende Netzwerk ein Bewertungsmaß
M = 2,05.
-
F i g. 5 zeigt die Schaltung des pulsformenden Netzwerkes in seiner
Grundform als Tiefpaß. Es gelten folgende relative Werte:
qf = qt = 0,01 (Frequenz- und Zeitschranke für 4,6 N Dämpfung und
10/, Restecho), M = 2,05.
-
Die wirklichen Induktivitäten und Kapazitäten errechnen sich nach
den Formeln:
dabei ist R der Abschlußwiderstand.
-
Aus dem Tiefpaß nach F i g. 5 läßt sich durch Frequenztransformation
für jeden gewünschten Durchlaßbereich ein Bandpaß ableiten, dessen Schaltung F i
g. 6 zeigt.