DE19934726A1

DE19934726A1 - Programm zur Berechnung der Schaltungselemente eines optimalen Nachbildnetzwerkes

Info

Publication number: DE19934726A1
Application number: DE1999134726
Authority: DE
Inventors: Roland Angermueller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2001-02-08

Abstract

Ein individuelles Nachbildnetzwerk (N indi ) für eine vorgegebene 2-Drahtleitung (2) an einer die 2-Drahtleitung (2) und eine 4-Drahtleitung (4) verbindenden Gabelschaltung (Ga) wird iterativ berechnet. Ausgehend von den Impedanzeigenschaften der 2-Drahtleitung (2) wird ein aus diskreten Bauelementen bestehendes Nachbildnetzwerk (N) gewählt, dessen Dämpfungseigenschaften berechnet werden und das so lange verändert wird, bis die berechneten Dämpfungseigenschaften vorgegebene Kriterien erfüllen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung eines optimalen Nachbildnetzwerks für eine Gabelschaltung in einer analogen Teilnehmerschaltung:

In einem Duplex-Betrieb werden auf analogen 2-Draht- Teilnehmeranschlußleitungen zwischen einem Teilnehmerendgerät - beispielsweise einem Fernsprechapparat - und einem vermit tlungsseitigen Leitungsabschluß Signale in beide Übertra gungsrichtungen gleichzeitig übertragen. Um weiterverarbeitet werden zu können, müssen die ankommenden und abgehenden Signale an beiden Leitungsenden in ihre jeweiligen Übertra gungsrichtungen getrennt werden. Dabei erfolgt eine Umsetzung der 2-Draht-Übertragung auf eine 4-Draht-Übertragung und umgekehrt, die von einer Gabelschaltung ausgeführt wird.

Eine derartige Gabelschaltung Ga ist beispielsweise in Fig. 2 dargestellt, die eine Schaltung zur 2-Draht/4-Draht-Umsetzung zeigt. Die Gabelschaltung Ga stellt den vermittlungsseitigen Leitungsabschluß einer 2-Drahtleitung 2 dar, über die sie mit einem Fernsprechapparat Fa verbunden ist. Bei der Gabel schaltung Ga handelt es sich um eine sog. 4-Tor-Schaltung, die mit dem Empfangszweig 4E und dem Sendezweig 4S der 4- Drahtleitung 4, der 2-Drahtleitung 2 und einem Nachbild netzwerk N verbunden ist. Über den Empfangszweig 4E ankom mende Signale werden über die Gabelschaltung Ga an die 2- Drahtleitung 2 und den Fernsprechapparat Fa weitergeleitet, während von dem Fernsprechapparat Fa abgegebene Signale von der Gabelschaltung Ga an den Sendezweig 4S übertragen werden.

Die Aufgabe des Nachbildnetzwerks N ist es, die Impedanz eigenschaften der 2-Drahtleitung im Sprachfrequenzbereich möglichst gut nachzubilden. Ist die Nachbildung nicht aus reichend, können im Kreis der 4-Drahtleitung 4 Echosignale entstehen. Diese Echosignale werden bei der 2-Draht/4-Draht- Schnittstelle der Vermittlungsseite unter anderem durch die Länge, den Durchmesser und die Stückelung der 2-Drahtleitung 2 sowie durch die 2-Draht-Eingangsimpedanz des Fernsprech apparats Fa mitbestimmt. Sie wirken sich auf die Sprach qualität der Verbindung umso störender aus, je höher der Pegel und je höher die Übertragungszeit ist.

Um die Entstehung der Echosignale weiter zu unterdrücken, werden beispielsweise zusätzlich Echokompensatoren EC verwendet, die ein vom Empfangszweig 4E kommendes Echosignal erkennen und zur Kompensation ein entsprechendes Signal gegenphasig einkoppeln. Die Verwendung solcher Echokom pensatoren EC ist allerdings mit mehreren Nachteilen behaftet, auf die hier nicht weiter eingegangen werden soll. Es ist daher wünschenswert, allein durch ein geeignetes Nachbildnetzwerk eine ausreichende Echodämpfung zu erzielen.

Die physikalisch-mathematische Beschreibung der frequenz abhängigen Impedanzeigenschaften der 2-Drahtleitung und des Fernsprechapparats Fa beruht auf einer Kettenschaltung von differentiellen Vierpolen und einem abschließenden Zweipol. Die Eingangsimpedanz einer derartigen Kettenschaltung kann näherungsweise durch ein Netzwerk von mehreren diskreten Elementen nachgebildet werden. Sind die Meßwerte der Ein gangsimpedanz einer speziellen 2-Drahtleitung bekannt, so läßt sich ein Netzwerk finden, daß den frequenzabhängigen Impedanzverlauf nachbildet.

Das Auffinden eines geeigneten Nachbildnetzwerks erfolgt üblicherweise experimentell. Ausgangspunkt ist dabei eine vorgegebene Schaltstruktur von diskreten Bauelementen, die das Netzwerk bilden. In einem Versuchsaufbau wird eine Gabelschaltung mit einer 2-Drahtleitung und dem Nachbild netzwerk verbunden und die Gabelübergangsdämpfung vom Empfangsanschluß zum Sendeanschluß der Gabelschaltung gemessen. Dabei werden schrittweise die Eigenschaften der Schaltstruktur verändert - beispielsweise durch ein Poten tiometer oder durch Ändern eines Widerstands oder einer Kapazität - bis schließlich eine gewünschte Dämpfung über den interessierenden Frequenzbereich erreicht wird.

Dieses Verfahren ist sowohl technisch also auch zeitlich gesehen sehr aufwendig. In der Regel wird daher mit Hilfe des eben beschriebenen Experiments ein Nachbildnetzwerk erstellt, daß für eine große Anzahl an 2-Drahtleitungen verwendet wird. Dieses stellt dann allerdings nur einen Kompromiß dar, da die Impedanzeigenschaften der einzelnen Teilnehmerschaltungen durch die sehr unterschiedlichen Längen der 2-Drahtleitungen und die verschiedenen Fernsprechapparate stark variieren können.

Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung ein Verfahren anzu geben, durch das mit technisch geringem Aufwand und in kurzer Zeit ein für eine spezielle 2-Drahtleitung geeignetes Nach bildnetzwerk gefunden werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Dabei wird die Dämpfungs eigenschaft eines bestimmten, aus diskreten Elementen bestehenden Nachbildnetzwerks in Bezug auf die Meßwerte der Impedanz der 2-Drahtleitung theoretisch berechnet und in einem iterativen Verfahren optimiert.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 die Schaltung einer 2-Draht/4-Draht-Umsetzung mit einer Gabelschaltung und einem Nachbildnetzwerk;

Fig. 3 ein Beispiel eines Nachbildnetzwerkes.

Die Berechnung eines individuellen Nachbildnetzwerks soll nun mit Hilfe des Flußdiagramms in Fig. 1 beschrieben werden.

Voraussetzung ist dabei die Kenntnis der Impedanzeigen schaften der individuellen Leitung. Diese müssen entweder in einem separaten Schritt 10 experimentell gemessen werden oder können als Leitungsparameter vorliegen. Auf diesen Leitungs daten basierend wird dann in einem ersten Schritt 11 ein Ausgangsnetzwerk N erstellt, das aus mehreren diskreten Bauelementen besteht. In der Regel handelt es sich dabei um ein bereits bekanntes Kompromißnetzwerk entsprechend Fig. 3, das die Impedanzeigenschaften einer großen Anzahl von 2- Drahtleitungen näherungsweise nachbildet. Das in Fig. 3 dargestellte Kompromißnetzwerk besteht aus einem Vierpol mit einem Widerstand R₁ und einem Widerstand C₁ sowie aus einem abschließenden Zweipol, der durch einen Widerstand R_ab gebildet wird. Zwischen den Vierpol und den Zweipol können im späteren Verlauf weitere gleichartige Vierpole (also mit einem weiteren Widerstand R_n und Kondensator C_n) in Kette geschaltet werden. Zu Beginn des Verfahrens wird jedoch die einfachste Struktur gemäß Fig. 3 gewählt.

In dem darauffolgenden Schritt 12 wird dann durch bekannte mathematische Beziehungen die frequenzabhängigen Nachbild fehlerdämpfung a_N für das vorliegende Nachbildnetzwerk N und die dazugehörige 2-Drahtleitung berechnet. Aus dieser kann dann mit Hilfe einer einfachen Integration auch die Echo dämpfung berechnet werden.

Anschließend wird in Schritt 13 eine Abfrage durchgeführt, ob mit dem Nachbildnetzwerk N vorgegebene Kriterien erfüllt werden. Ist dies nicht der Fall, werden in Schritt 14 die Eigenschaften des Nachbildnetzwerks N um ΔN verändert und eine Neuberechnung der Nachbildfehlerdämpfung a_N in Schritt 12 durchgeführt.

Eine Veränderung ΔN des Nachbildnetzwerks N bedeutet bei spielsweise ein Vergrößern oder Verkleinern eines Widerstands oder einer Kapazität, je nachdem welche Bauelemente das in Schritt 11 gewählte Nachbildnetzwerk N aufweist. Die Verän derungen ΔN können dabei in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Abfrage in Schritt 13 erfolgen. Hat sich beispielsweise die Dämpfungseigenschaft des Nachbildnetzwerks N durch die zuletzt vorgenommene Veränderung ΔN verschlechtert, kann diese Veränderung ΔN zurückgenommen werden und statt dessen das Nachbildnetzwerk N in entgegengesetzter Weise verändert werden.

Das Optimieren der Parameterwerte kann dabei für jedes einzelne Bauelement getrennt erfolgen. Beispielsweise kann die Schleife 12-14 in einer ersten Phase so lange durchlaufen werden, bis für den Kondensator C₁ ein Kapazitätswert, der eine maximale Gabelübergangsdämpfung erzielt, gefunden worden ist. Ist das Abfrageergebnis in Schritt 13 dann immer noch nicht positiv, wird in einer zweiten Phase der Parameterwert des nächsten Bauelements - des Widerstands R₁ - in mehreren Schleifendurchläufen optimiert. Eine weitere Möglichkeit zur Erreichung eines positiven Abfrageergebnisses besteht in der strukturellen Veränderung des Nachbildnetzwerkes derart, daß ein weiterer Vierpol eingefügt wird. In der Regel sollten allerdings zuerst alle Bauelemente optimiert werden und erst dann das Nachbildnetzwerk erweitert werden, falls noch keine befriedigende Echodämpfung erzielt wurde.

Dies wird dann solange wiederholt, bis das Ergebnis der Abfrage in Schritt 13 schließlich positiv ist. Eine Bedingung für ein positives Abfrageergebnis ist beispielsweise, daß die Nachbildfehlerdämpfung a_N an den Eckpunkten des interessie renden Frequenzbandes einerseits gleich hoch ist - womit innerhalb dieses Bereichs zumindest eine bestimmte Basis dämpfung gewährleistet wird - und andererseits im dazwischen liegenden Frequenzbereich die Dämpfung nicht kleiner wird als an den Eckpunkten. Dabei handelt es sich normalerweise um das für Sprachverbindungen wesentliche Frequenzband von 300 Hz bis 3400 Hz. Als entscheidendes Kriterium könnte aber auch ein Maximum in der Echodämpfung herangezogen werden.

Auf diese Weise werden durch ein vielmaliges Durchlaufen der Schleife 12-14 iterativ die optimalen Parameterwerte für die Struktur des zu der speziellen 2-Drahtleitung passenden individuellen Nachbildnetzwerks N_indi gefunden. Diese werden dann im abschließenden Schritt 15 ausgegeben.

Vorzugsweise wird zur Durchführung des Verfahrens ein Computer verwendet, wodurch innerhalb kurzer Zeit die Struktur vieler individueller Nachbildnetzwerke berechnet werden kann. Im Gegensatz zu dem experimentellen Vermessen der Dämpfungseigenschaften einer Nachbildung ist hier der Material- und Zeitaufwand deutlich geringer. Ein weiterer Vorteil ist auch darin zu sehen, daß sich gegenüber dem Experiment die Parameter des Nachbildnetzwerks wesentlich einfacher und in einem weiteren Bereich verändern lassen und so für unterschiedliche 2-Drahtleitungen je eine optimale Nachbildung gefunden wird.

Claims

1. Verfahren zum Berechnen eines individuellen Nachbildnetz werks (N_indi) das eine vorgegebene 2-Drahtleitung (2) nachbildet, die mit einer 4-Drahtleitung (4) durch eine Gabelschaltung (Ga) verbunden ist, das folgende Schritte aufweist:

a) die Impedanzeigenschaften der 2-Drahtleitung (2) werden erfaßt;
b) auf den in Schritt a) erfaßten Daten basierend wird ein aus diskreten Bauelementen bestehendes Nachbildnetzwerk (N) gewählt;
c) die Dämpfungseigenschaften des Nachbildnetzwerks (N) werden berechnet;
d) das Nachbildnetzwerk (N) wird verändert, wenn die Dämpf ungseigenschaften vorgegebene Kriterien nicht erfüllen;
e) die Schritte c) und d) werden solange durchlaufen, bis ein geeignetes Nachbildnetzwerk (N_indi) gefunden wird, welches die vorgegebenen Kriterien erfüllt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) die Impedanzeigenschaften der 2- Drahtleitung (2) experimentell bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) die Impedanzeigenschaften der 2-Draht leitung (2) aus den Abmessungen der 2-Drahtleitung (2) berechnet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) als Nachbildnetzwerk (N) ein Kompromiß netzwerk gewählt wird, das die Impedanzeigenschaften einer großen Anzahl von unterschiedlichen 2-Drahtleitungen (2) näherungsweise nachbildet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompromißnetzwerk aus einem Vierpol, der einen Widerstand (R₁) sowie einen Kondensator (C₁) enthält, und einem abschließenden Zweipol, der einen weiteren Widerstand R_ab enthält, besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der Dämpfungseigenschaften des Nachbild netzwerks (N) die Nachbildfehlerdämpfung a_N berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der Dämpfungseigenschaften des Nachbild netzwerks (N) aus der Nachbildfehlerdämpfung a_N die Echo dämpfung berechnet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Phase zuerst durch mehrmaliges Durch laufen der Schritte b) und c) die Eigenschaft eines einzelnen Bauelements des Nachbildnetzwerks (N) optimiert wird und in einer weiteren Phase die Eigenschaft mindestens eines weiteren Bauelements optimiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Optimieren aller Bauelemente das Nachbild netzwerk (N) durch Hinzufügen weiterer Bauelemente erweitert wird und die Eigenschaften der Bauelemente ein weiteres mal optimiert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 5 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachbildnetzwerk (N) durch Hinzufügen eines weiteren Vierpols mit einem weiteren Widerstand (R_n) und einem weiteren Kondensator (C_n) erweitert wird.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaften des Nachbildnetzwerks (N) so lange verändert werden, bis die berechnete Echodämpfung einen vorgegebenen Wert überschreitet.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaften des Nachbildnetzwerks (N) so lange verändert werden, bis die berechnete Nachbildfehlerdämpfung a_N an den Randpunkten eines vorgegebenen Frequenzbandes maximal ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaften des Nachbildnetzwerks (N) so lange verändert werden, bis die berechnete Nachbildfehlerdämpfung a_N an den Randpunkten eines vorgegebenen Frequenzbandes gleich hoch und maximal ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaft des Nachbildnetzwerkes (N) so lange verändert werden, bis die berechnete Nachbildfehlerdämpfung a_N zwischen den Randpunkten eines vorgegebenen Frequenzbandes nicht kleiner werden als an den Randpunkten.

15. Verfahren nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Frequenzband den Bereich von 300 Hz bis 3400 Hz umfaßt.

16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mit Hilfe von elektronischen Mitteln durchgeführt wird.