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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum galvanisch getrennten Verbinden
einer Telefonleitung mit einer Signalverarbeitungseinrichtung am
Teilnehmerende der Telefonleitung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch
1.
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Herkömmliche
analoge Telefonteilnehmerleitungen werden häufig auch als Datenübertragungsmedium
eingesetzt. Die Teilnehmer benutzen dazu die zur Verfügung stehenden
Möglichkeiten
des analogen Sprachtelefonnetzes, um untereinander Daten auszutauschen.
An den jeweiligen Teilnehmerenden der Telefonteilnehmerleitungen
sind zu diesem Zweck Datenquellen und Datensenken angeordnet, die
Daten an einen fernen Teilnehmer senden bzw. Daten von einem fernen
Teilnehmer empfangen. Die Datenquellen und Datensenken sind dabei
in der Regel herkömmlich
Computer, an die eine Sendeeinrichtung bzw. eine Empfangseinrichtung
in der Form eines Modems (Modulator/Demodulator) angeschlossen sind.
Das Modem und der Computer sind auf Seiten des Teilnehmers mit einer
von der Telefonleitung unabhängigen
Energieversorgung verbunden.
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Die
Vorschriften der Betreiber von analogen Telefonnetzen verlangen,
daß die
Endgeräte,
die ein Teilnehmer an das Teilnehmerende der Telefonzweidrahtleitung
anschließt,
galvanisch von einem lokalen Erdpotential getrennt bleiben. Gegenüber dem
Telefonnetz stellt ein Modem ein derartiges Endgerät dar, das
diesen Anforderungen genügen
muß. Es
ist daher bei einem Modem eine Schaltung erforderlich, die einerseits
eine bidirektionale Signalkommunikation über die Telefonleitung gewährleistet
und andererseits eine galvanische Trennung von der Telefonleitung
sicherstellt. Derartige Schaltungen werden auch als Direct Access
Arrangement (DAA) bezeichnet.
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Herkömmliche
Konzepte zur galvanischen Trennung basieren auf Übertragern, wobei eine Wicklung
des Übertragers
den Leitungsabschluß am Teilnehmerende
einer Telefonleitung bildet. Übertrager
haben jedoch den Nachteil, daß sie
im Sprachfrequenzbereich relativ zu anderen Bauelementen des Modems
ein großes
Volumen aufweisen und in ihren elektrischen Eigenschaften eine relativ
große
statistische Streuung aufweisen. Die statistische Streuung der elektrischen
Eigenschaften muß durch
aufwendige Schaltungen im Modem kompensiert werden.
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Aus
der
EP 0 798 885 ist
eine Schaltungsanordnung zur Kopplung eines analogen Übertragungsweges
mit einem digitalen Übertragungsweg
bekannt geworden. Der analoge Übertragungsweg
könnte
dabei eine analoge Telefonleitung darstellen, und der digitale Übertragungsweg
könnte
dabei einen digitalen Datenbus innerhalb eines Modems darstellen.
Die Schaltungsanordnung sieht als galvanische Trennelemente alternativ
Kondensatoren und Optokoppler vor. Die Verwendung von Optokopplern
wird jedoch in vielen Anwendungen vermieden, weil sie im Vergleich
zu den übrigen
Bauelementen relativ teuer sind. Die Verwendung von Kondensatoren
als galvanische Trennelemente ist grundsätzlich vorteilhaft, bei der
Realisierung dieses Konzeptes zeigt sich jedoch, daß für jede Übertragungsrichtung
ein Kondensatorpaar vorgesehen werden muß, um eine sichere Datenübertragung über die
Isolationsgrenze zu gewährleisten.
In den Realisierungen des kapazitiven Trennkonzeptes sind daher
in der Regel mindestens vier Kondensatoren (zwei Kondensatoren für jede Übertragungsrichtung)
vorgesehen. Diese hohe Anzahl von Bauelementen ist aus fertigungstechnischen
Gründen
unerwünscht.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP 622 899
A1 beschreibt eine herkömmliche
Anschlussschaltung mit Trenntransformator für eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung.
Der Trenntransformator befindet sich hier am leitungsseitigen analogen Eingangsteil
der Schaltung und bewirkt die galvanische Trennung der angeschlossenen
digitalen Signalverarbeitungseinrichtung vom analogen öffentlichen
Telefonnetz. Hier wird zwar ein einziger Transformator zur galvanischen
Trennung für
beide Signalrichtungen verwendet. Die Trennung erfolgt jedoch im
analogen Eingangsteil der Schaltung auf der Leitungsseite der Hybrid-
bzw. Gabelschaltung.
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Das
US-Patent
US 4,679,115 beschreibt eine
Anschlussschaltung für
eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung, die die galvanische
Trennung in den gerichteten digitalen Signalpfaden jenseits der Hybrid-
bzw. Gabelschaltung durchführt.
Die galvanische Trennung wird dabei in den beiden gerichteten digitalen
Signalpfaden jeweils durch einen Optokoppler bewirkt.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP
0 576 882 A2 beschreibt eine Anschlussschaltung für eine digitale
Signalverarbeitungseinrichtung, bei der die galvanische Trennung
ebenfalls in die gerichteten digitalen Signalpfade jenseits der
Hybrid- bzw. Gabelschaltung verlagert ist. Die galvanische Trennung wird
dort im digitalen Signalpfad durchgeführt, wofür allerdings zwei seperate Übertrager
verwendet werden.
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Allen
drei vorgenannten Druckschriften zum Stand der Technik ist gemein,
dass dort jeweils Hybrid- bzw. Gabelschaltungen zur Aufspaltung
des analogen Pfades in gerichtete digitale Signalpfade vorgesehen
sind.
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Das
technische Problem der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung
zum galvanisch getrennten Verbinden einer Telefonleitung mit einer Signalverarbeitungseinrichtung
anzugeben, die preiswert herstellbar ist und mit einer geringen
Anzahl von Bauelementen auskommen kann.
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Das
Problem wird gelöst
mit Vorrichtungen mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und
2. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vorrichtung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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Die
Vorrichtung der Erfindung verwendet zum galvanischen Trennen einen Übertrager.
Der Übertrager
ist dabei jedoch nicht direkt mit der Telefonleitung verbunden,
sondern befindet sich erst hinter einer Gabelschaltung, die die
Signale der Telefonleitung in einen ersten Signalpfad und einen
zweiten Signalpfad für
die jeweiligen Übertragungsrichtungen trennt.
Da hinter der Gabelschaltung die Signale der Telefonleitung auf
eine andere Weise dargestellt werden können, insbesondere in einem
höheren
Frequenzbereich, ist es möglich,
den Übertrager
anders zu dimensionieren, d. h., der Übertrager kann in seinem Volumen
kleiner ausgestaltet werden. In einem solchen Frequenzbereich kommen
statistische Streuungen des Übertragers
kaum zur Geltung und brauchen daher nicht berücksichtigt zu werden.
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In
einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden die Signale der Telefonleitung hinter der Gabelschaltung
einem hochratigen Digital-Analog-Wandler bzw. Analog-Digital-Wandler zugeführt, bevor
die so erhaltenen Signale dem Übertrager
zugeführt
werden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel werden die Signale
der Telefonleitung hinter der Gabelschaltung von einem Hochfrequenz-Demodulator
demoduliert bzw. von einem Hochfrequenz-Modulator moduliert. Die
Modulation bzw. Demodulation erfolgt für die beiden Übertragungsrichtungen
vorzugsweise auf einer unterschiedlichen Frequenz.
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Vorzugsweise
weist der Schaltungsteil, der galvanisch mit der Telefonleitung
verbunden ist, eine Energieversorgungseinrichtung auf, die alternativ von
der Telefonleitung gespeist wird oder vom Übertrager gespeist wird. Eine
Speisung vom Übertrager ist
dabei besonders vorteilhaft, weil diese mit relativ einfachen Mitteln
gewährleistet
werden kann und nicht den Schwankungen der Energieversorgung analoger
Telefonleitungen unterworfen ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit der schematischen Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung der Erfindung; und
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung der Erfindung.
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Im
Ausführungsbeispiel
von 1 ist als galvanisches Trennelement ein Übertrager 3 gezeigt, der
die galvanische Trennung zwischen dem Teilnehmerende einer analogen
Telefonleitung 5 und einer Signalverarbeitungseinrichtung 6 in
der Form eines DSP (Digital Signal Processor) gewährleistet.
Die Linie 4 symbolisiert dabei die Isolationsbarriere,
die durch den Übertrager 3 verläuft und über die
Signale ausgetauscht werden. Der Übertrager 3 weist
auf jeder Seite der Isolationsbarriere 4 eine Wicklung
auf. Eine Primärwicklung
befindet sich auf Seiten der Telefonleitung 5, und eine
Sekundärwicklung
befindet sich auf Seiten der Signalverarbeitungseinrichtung 6. Die
Wicklungen des Übertragers 3 sind
magnetisch miteinander gekoppelt.
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Die
Primärwicklung
ist mit einer Schaltung 1 verbunden. Die Schaltung 1 weist
eine Gabelschaltung 7 auf, die mit dem Teilnehmerende der
analogen Telefonleitung 5 verbunden ist. Die Gabelschaltung 7 führt eine
Zweidraht-Vierdraht-Umsetzung aus und stellt vierdrahtseitig einen
Signalausgang und einen Signaleingang bereit, die den Übertragungsrichtungen
zwischen der Signalverarbeitungseinrichtung 6 und dem fernen
Ende der Telefonleitung 5 entsprechen. In der ersten Übertragungsrichtung
von der analogen Telefonleitung 5 in Richtung auf den Übertrager 3 ist
nach der Gabelschaltung 7 ein Analog-Digital-Wandler 19 geschaltet,
der das von der Telefonleitung 5 ankommende analoge Signal
mit einer hohen Abtastrate abtastet und die abgetasteten Signalwerte
in Form digitaler Signale ausgibt. In umgekehrter Richtung ist ein
Digital-Analog-Wandler 20 vorgesehen,
der die von der Signalverarbeitungseinrichtung 6 stammenden
digitalen Signale in analoge Signale wandelt, um sie über die
Gabelschaltung 7 auf die Telefonleitung 5 zu geben.
Der Analog-Digital-Wandler 19 und der Digital-Analog-Wandler 20 sind
mit einem digitalen Signalmultiplexer 17 verbunden, der
seinerseits mit zwei Wicklungsabgriffen der Primärwicklung des Übertragers 3 verbunden
ist. Der digitale Signalmultiplexer 17 arbeitet für die beiden Übertragungsrichtungen
im Zeitmultiplex, d. h., er sendet zum Übertrager 3 oder empfängt vom Übertrager 3 abwechselnd
Signale in einem Ping-Pong-Verfahren.
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Der
Schaltung 1 steht auf der anderen Seite der Isolationsbarriere 4 eine
Schaltung 2 gegenüber. Diese
ist einerseits mit dem Übertrager 3 und
andererseits mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 6 verbunden.
Zur Verbindung mit dem Übertrager 3 ist in
der Schaltung 2 ein digitaler Signalmultiplexer 18 vorgesehen,
der in ähnlicher
Weise arbeitet, wie der digitale Signalmultiplexer 17 in
der Schaltung 1. Demnach sendet der digitale Signalmultiplexer 18 Signale
an die Sekundärwicklung
des Übertragers 3 und
empfängt
Signale von der Sekundärwicklung
des Übertragers 3 abwechselnd
in einem Ping-Pong-Verfahren
durch Zeitmultiplex. Das Senden bzw. Empfangen durch den digitalen
Signalmultiplexer 18 erfolgt jeweils bitseriell. Der zu
sendende oder zu empfandende serielle Bitstrom wird dabei. von einem
Frequenzgenerator 14 gesteuert, der mit dem digitalen Signalmultiplexer 18 verbunden
ist. Der Frequenzgenerator 14 ist seinerseits mit einem
Quartzoszillator 15 verbunden, der außerhalb der Schaltung 2 angeordnet
ist. Die Schaltung 2 weist ferner eine digitale Filter-
und Steuerschaltung 16 auf, die zwischen die Signalverarbeitungseinrichtung 6 und
den digitalen Signalmultiplexer 18 geschal tet ist. Die
digitale Filter- und Steuerschaltung 16 bewirkt eine Vorverarbeitung der
an den Übertrager 3 zu
sendenden bzw. der vom Übertrager 3 zu
empfangenden digitalen Daten. Die digitale Filter- und Steuerschaltung 16 wird
zu diesem Zweck ebenfalls vom Frequenzgenerator 14 getaktet.
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Auf
Seiten der analogen Telefonleitung 5 ist ein Relais 9 vorgesehen,
das von der Schaltung 1 betätigt wird. Mit dem Relais 9 werden
die beiden Adern a und b der analogen Telefonleitung 5 mit
der Schaltung 1 verbunden. Das Relais 9 wird von
der Schaltung 1 über
eine Diode 30 und einen Kondensator 31 angesteuert.
Das Relais wird geschlossen, wenn die Signalverarbeitungseinrichtung 6 der
Schaltung 1 über
den Übertrager 3 signalisiert,
daß eine
Telefonverbindung hergestellt werden soll. Andererseits läßt das geöffnete Relais 9 hochfrequente
Klingelsignale passieren, um der Schaltung 1 einen eingehenden Verbindungswunsch
zu signalisieren. Die Schaltung 1 veranlaßt dann,
daß das
Relais 9 geschlossen wird.
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Die
Adern a und b der Telefonleitung 5 sind ferner mit einer
Gleichrichter- und Stromregulierschaltung 8 verbunden,
die ebenfalls von der Schaltung 1 gesteuert wird. Die Schaltung 8 bewirkt
einerseits eine Gleichrichtung der Signale auf der Telefonleitung 5 und
reguliert andererseits den Strom durch die Adern a und b der Telefonleitung 5 gemäß den Vorschriften
des jeweiligen Netzbetreibers der Telefonleitung 5.
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Die
Schaltung 1 erhält
ihre Versorgungsspannung von einem zusätzlichen Wicklungsabgriff an
der Primärwicklung
des Übertragers 3.
Dieser Wicklungsabgriff ist über
eine Diode 12 und einen Kondensator 13 mit einem
unabhängigen
Bezugspotential 11 der Schaltung 1 verbunden.
Der Knoten zwischen der Diode 12 und dem Kondensator 13 ist mit
einer Spannungsreguliereinheit 10 in der Schaltung 1 verbunden,
die den übrigen
Teilen der Schaltung 1 eine regulierte Spannung bereitstellt.
In alternativer Weise könnte
die Spannungsreguliereinheit 10 mit der Telefonleitung 5 verbunden
sein. Viele Netzbetreiber stellen eine Energieversorgung in begrenztem
Umfang für
das an die Teilnehmerleitung angeschlossene Endgerät bereit.
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Mit
dem Übertrager 3 wird
eine galvanische Trennung zwischen der Telefonleitung 5 und
der Signalverarbeitungseinrichtung 6 gewährleistet.
Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß der Übertrager 3 nicht
direkt mit den Adern a und b der Telefonleitung 5 verbunden
ist, sondern daß die
Gabelschaltung 7 zwischen die Telefonleitung 5 und
den Übertrager 3 geschaltet
ist. Der Austausch von Signalen über
die Isolationsbarriere 4 erfolgt mittels hochratiger Bitströme im Ping-Pong-Verfahren. Aufgrund
der hohen Frequenz der Bitströme
kann ein Hochfrequenz-Übertrager
verwendet werden. An diesen können
geringere Anforderungen hinsichtlich Linearität und Phasenverzerrung gestellt
werden, wie dies bei den bekannten Niederfrequenz-Übertragern der
Fall ist, die direkt mit der Telefonleitung 5 verbunden
sind.
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Die
Schaltung weist ein eigenes Bezugspotential 11 auf, das
unabhängig
von einem Bezugspotential in der Schaltung 2 oder in der
Signalverarbeitungseinrichtung 6 ist. Die Schaltungen 1 und 2 sind vorzugsweise
jeweils auf einem Halbleiterchip integriert. Die Gleichrichter-
und Stromregulierungsschaltung 8, das Relais 9,
die Diode 12 und der Kondensator 13 sind vorzugsweise
diskrete Bauelemente, die mit der als integrierte Halbleiterschaltung
ausgeführten
Schaltung 1 verbunden sind. Ebenso ist der Quartzoszillator
ein diskretes Bauelement 15, das mit der Schaltung 2 verbunden
ist.
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Der
digitale Signalmultiplexer 17 in der Schaltung 1 weist
darüber
hinaus eine Taktregenerierungsschaltung auf, um den vom Frequenzgenerator 14 in
der Schaltung 2 erzeugten, und im gesendeten Bitstrom enthaltenen
Takt in der Schaltung wiederzugewinnen und den dortigen Schaltungsteilen,
insbesondere dem digitalen Signalmultiplexer 17, dem Analog-Digital-Wandler 19 und
dem Digital-Analog-Wandler 20 bereitzustellen. Gleichzeitig
kann der gleichgerichtete Datentakt auf Seiten der Schaltung 1 als
Energiequelle dienen. Dazu sind die Diode 12, der Kondensator 13 und
die Spannungsregulierungseinheit 10 vorgesehen.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Elemente, die eine ähnliche Funktion erfüllen wie
Elemente in dem Ausführungsbeispiel
von 1; sind in den 1 und 2 jeweils
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Für eine nähere Erklärung wird daher auf die Ausführungen
zum Ausführungsbeispiel
von 1 verwiesen. Konzeptionell unterscheidet sich
das Ausführungsbeispiel
von 2 von jenem von 1 darin, daß anstelle
hochratiger Bitströme
analoge Hochfrequenzsignale über
den Übertrager 3 übertragen
werden. Dazu ist in der Schaltung 1 ein Modulator 23 vorgesehen,
der das von der Gabelschaltung 7 kommende Signal auf einen
hochfequenten Träger
mit der Frequenz RF1 moduliert. Das so modulierte Trägersignal
wird einem analogen Signalmischer 21 zugeführt. In
umgekehrter Signalrichtung ist zwischen dem analogen Signalmischer 21 und
der Gabelschaltung 7 ein Demodulator 25 vorgesehen,
der mit einem hochfrequenten Trägersignal
mit der Frequenz RF2 angesteuert wird. Der analoge Signalmischer 21 sendet
das vom Modulator 23 kommende Signal an den Übertrager 3 und
empfängt
vom Übertrager 3 das
an den Demodulator 25 zu sendende Signal. Im bevorzugten
Ausführungsbeispiel
sind die Trägerfrequenzen
RF1 und RF2 ausreichend beabstandet, so daß es zu keiner Überlagerung
der modulierten Signale kommt. Im analogen Signalmischer 21 werden durch
Sendefilter und Empfangsfilter die jeweiligen Übertragungsrichtungen voneinander
getrennt.
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In ähnlicher
Weise ist in der Schaltung 2 von 2 ein analoger
Signalmischer 22 vorgesehen, der ebenfalls ein Sendefilter
und ein Empfangsfilter aufweist. Das vom Übertrager 3 empfangene
Signal, das im Modulator 23 mit der Trägerfrequenz RF1 moduliert wurde,
wird in der Schaltung 2 mit Hilfe eines Demodulators 26 demoduliert,
der ebenfalls auf der Trägerfrequenz
RF1 arbeitet. In Senderichtung ist ein Modulator 24 vorgesehen,
der mit der Trägerfrequenz
RF2 arbeitet. Das Ausgangssignal des Modulators 24 wird über den
analogen Signalmischer 22 dem Übertrager 3 zugeführt. Der
analoge Signalmischer 21 in der Schaltung 1 empfängt dieses
Signal und führt
es dem Demodulator 25 zu, der es mit der gleichen Trägerfrequenz
RF2 demoduliert.
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Am
Ausgang des Demodulators 26 ist in der Schaltung 2 ein
Analog-Digital-Wandler 27 vorgesehen, der das empfangene
analoge Signal in ein digitales Signal wandelt und einer digitalen
Filter- und Steuerschaltung 29 zuführt. In umgekehrter Richtung werden
digitale Signale von der digitalen Filter- und Steuerschaltung 29 einem
Digital-Analog-Wandler 28 zugeführt, der dem Modulator 24 ein
analoges Sendesignal zuführt.
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Im
Ausführungsbeispiel
von 2 wird anstelle des Zeitgetrenntlageverfahrens
von 1 ein Frequenzgetrenntlageverfahren zur Übertragung
bidirektionaler Signale über
den Übertrager 3 verwendet.
Da über
den Übertrager 3 hochfrequente
Signale übertragen
werden, gelten für
den Übertrager 3 von 2 die
gleichen Anforderungen wie für
den Übertrager 3 von 1.
Im Ausführungsbeispiel
von 2 ist zur Realisierung des Frequenzgetrenntlageverfahrens
zwischen den Übertrager 3 und
der Telefonleitung 5 die Gabelschaltung 7 geschaltet.
Die Spannungsversorgung erhält
die Schaltung 1 von einem besonderen Abgriff der Primärwicklung
des Übertragers 3 über eine
Diode 12 und einen Kondensator 13. Die Steuerung
des Relais 9 erfolgt wie im Ausführungsbeispiel von 1 vollständig innerhalb der
Schaltung 1.
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Beide
Ausführungsbeispiel
vereinen die Vorteile geringerer Kosten und eines niedrigeren Formfaktors
gegenüber
bisherigen Lösungen.
Da die Energieversorgung der Schaltung 1 über den Übertrager 3 erfolgt,
ist eine netzbetreiber-spezifische Auslegung der Schaltung 1 nicht
erforderlich. Die Schaltung 1 ist daher auch unempfindlich
gegen Störungen und
Schwankungen der Gleichspannung an den Adern a und b der Telefonleitung 5.
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Vorteilhafterweise
erfolgt die Steuerung des Relais 9 in der Schaltung 1.
Die in einem eingehenden Verbindungswunsch enthaltene Anruferkennung (Caller
ID) kann durch Programmieren der digitalen Filter- und Steuerschaltung 16 bzw. 29 in
der Schaltung 2 ermittelt und an die Signalverarbeitungseinrichtung 6 übertragen
werden. Eventuell vorhandene Störspannungen
auf der analogen Telefonleitung 5 werden durch die vorgeschlagenen Übertragungstechniken
unterdrückt.
Dadurch ist eine sehr hohe Datenrate über die analoge Telefonleitung 5 erzielbar.