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System zur Ubertragung von Datensignalen Die Erfindung bezieht sich
auf ein transparentes, also code-unabhängiges System zur Ubertragung von binären
Datensignalen auf symmetrischen leitungen.
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Mehrbenutzersysteme dieser Art dienen für den Datenverkehr zwischen
mehreren Aussenstellen und einer Zentralstelle.
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Solche Systeme werden beispielsweise dort eingesetzt, wo aus Vereinfachungsgründen
die Åussenstellen möglichst einfach aufgebaut sein sollen und möglichst viele der
allen Aussenstellen gemeinsamen Komponenten auch in der gemeinsamen Zentralstelle
zusaengefasst werden sollen. Beissielsweise handelt es sich bei solchen Systemen
um eine Installation in Kaufhäusern, bei denen einzelne Registrierkassen mit einem
zentralen Rechner verbunden werden. Derartige Systeme in Gestalt von Knotenpunktnetzwerken
sind als Kassensysteme für Kaufhäuser und Supermarkte sehr vorteilhaft. Zahlreiche
andere Anw.endungsmöglich-Seiten sind gegeben.
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Ein bekanntes System dieser Art (US-PS 3 596 258) kommt für die Verbindung
der Aussenstellen mit der Zentralstelle mit Datenkanälen in Form einer einfachen
verdrillten Doppelleitung aus. Wegen des binären Aufbaus der Informationen, die
in beiden Richtungen zwischen der Zentralstelle und jeder der Aussenstellen übermittelt
werden, ttiuss bei£i bekannten System für die über den Datenkanal laufenden nachrichten
ein modulierter Träger verwendet werden, weil Impulse über eine billige verdrillte
Doppelleitung schon nach unintereosant kurzen ijaufstrecken Verzerrungen erleiden,
die zu Fehlern führen und eine praktische Anwendbarkei des Systems in Frage stellen.
Es wird deshalb beim bekannten Systein ein fuit Impulsen von 100 Millisekunden Dauer
modulierter Träger verwendet, mit dessen Hilfe eine gute Übertragungsqualität für
die Impulse sichergestllt wird. Um nun ein Überschprechen möglichst auszuschliessen,
wird mit zwei unterschiedlichen Trägerfrequenzen gearbeitet. Für die Datenübermittlung
über den Datenkanal in der einen Richtung verwendet man eine Trägerfrequenz von
150 kHz und in der anderen Hichtung eine Trägerfrequenz von 250 kHz. Solche Frequenzen
führen aber bei uen verwendeten einfachen verdrillten Doppelleitungen zu Störfeldern,
denen haufig gesetzli che Vorschriften entgegenstehen. Für das Gebiet der Bundesrepublik
Deutschland sei auf die gesetzlichen Vorschriften zu Schutz gegen Funk-Störungen
nach VDE 0875 verwiesen. Darüber hinaus bleib die Datenübertragung häufig nicht
auf ein privates Grundstück be schränkt. Sie wird vielmehr auf festgeschaltete,
überlassene Fernsprechleitungen des Nahverkehrbereichs ausgedehnt. In dieser Fall
müssen hierfür geltende Forderungen des CCITT (Comite Consultativ International
de Télégraphie et Télêphonie) und der EIA (Electronic Industries Association, USÄ)
sowie die Forderungen des Pflichtenheftes der Deutschen Bundespost erfüllt werden.
Das oben erläuterte bekannte System erfüllt die Forderungen nicht.
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Es müssen daher zusätzliche Massnahmen getroffen werden, um den oben
erwähnten Vorschriften und Forderungen Rechnung zu tragen,
Hierfür
bieten sich beispielsweise Einrichtungen an, die mit binärer Phasendifferenzmodulation
arbeiten. Das System würde dabei jedoch zwangsläufig pro Aussenstelle zwei konventionelle
Modems (Modulator/Demodulator) benötigen. Die anteiligen Gerätekosten der Systemanlage
würden damit ca. 40 % betragen. Die Koste für die Anlage würden damit untragbar
hoch, die Anwendung des Systems unwirtschaftlich.
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Die anteiligen Gerätekosten lassen sich bei Verwendung einer binären
Frequenzumtastung auf ca. 20 s senken. Aus Gründen des oben erwähnten Funkstörschutzes
ist aber dabei die Verwendung einfacher verdrillter Doppelleitungen nicht möglich.
Es müssen vielmehr hochfrequenzdichte Doppel-Koaxialleitungen verwendet wer den,
was die Installationskosten untragbar belastet. Auch wäre ein solches System auf
ein privates Grundstück beschränkt, weil.
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es mit den Ortskabeln nach VDE 0816 unverträglich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein System zur Übertragung
von binären Datensignalen auf symmetrischen Leitungen, wie den verseilten Doppelleitungen
von.Fernsprechinstallationen zur Verfügung zu stellen, das einerseits eine systemgerechte
schnelle Datenübertragung ermöglicht, andererseits den angeführten Vorschriften
und Forderungen genügt und insbesondere mit den billigen Normteilen der Fernsprechtechnik
preisgünstig installiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Datensignale
in niederfrequenter Pulscode-Modulation (PCM) übertragen werden, dass zwei im positiv-unipolaren
Gegentakt arbeiten de digitale Leitungstreiber zusammen mit mehreren externen Referenzdioden
zur Leitungspegelhaltung und einem leitungsverträglichen Tiefpassfilter zur Leitungssignalformung
die Treiberstufe bilden und dass zwei optoelektronische Koppler, deren lumineszen
-dioden als Zweiwegabschluss eines erdfreien Hochpassfilters dami geschaltet sind
zu einem Leitungsentzerrer und deren Photohalbleiter einen regenerativen
Impulsverstärker
im positive-unipolaren Gegentakt steuern, den Leitungssignalempfänger bilden.
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Huf diese weise sind zunächst die amtlichen Forderungen zum Funkstörschutz
voll berücksichtigt. Da keine hochfrequenten Träger Verwendung finden, kann die
Datenübertragung auf einfachen verseilten Telefonleitungen erfolgen. Das macht es
auch möglich, die festgeschalteten Fernsprechstromwege des Nahverkehrbereichs zu
benützen. Die anteiligen Instalationskosten betragen somit nur 5 ... 10 % der Gesamtinstallation
einer Datenverarbeitungs anlage nach Art der erwähnten US-PS 3 596 256. Durch Kabeladern
von 1,2 mm Durchmesser (Stammkreis II nach VDE 0816) können Entlernungen bis zu
2 ei+. ohne Zwischenverstärker überbrückt werden.
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Die bitserielle Datenübertragung der angegebenen art Kann uabei mit
einer Signalschrittgeschwindigkeit von maximal 50 kbit/s erfolgen. Die Übertragungsfehlerrate
beträgt bei diesem System weniger als 10-6. Man erhält also ein mit ten zu beachtenden
Vorschriften verträgliches und überdies äusserst billiges System zur Übertragung
von binären Datensignalen, das, auch wenn Stör- oder Ausgleichsströme Masseverbindungen
der Geräte nicht zulassen, für die Verbindung zentraler Rechner mit zahlreichen
Aussenstellen sehr gut geeignet ist.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von Ausführungsbeis ielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen
Fig. 1a das Blockschaltbild der Erfindungsanordnung, und den PCM-Informationsfluss,
Fig. ib einen typischen PCM-Nachrichtenblock, der von dem Erfindungssystem übertragen
wird, Fig 2 die Leitungstreberstufe des Übertragungssystelss, Fig. 3 die Leitungsempfängerstufe
für das Übertragungssystem, und
Fig. 4 einen Leitungsverstärker
des Übertragungssystems.
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Fig. la zeigt das gesamte System zu eine Blockschaltbila zusammengestellt.
Die ankommenden PCM-Gleichtaktsignale in den tyzischen Nachrichtenblöcken nach Fig.
1b weraen zunächst in univolare Gegentaktsignale umgesetzt, die den nachgeschalteten
digiten Leitungstreiber entsprechend steuern. Eine externe Referenzschaltung ermöglicht
die Einstellung einer hochstabilen, last- und temperaturunabhängigen Ausgangssignalspannung
der Treiberstufe.
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Der stromabhängige Empfängereingangswiderstand macht diese Einstellung
aus anpassungsgründen erforderlich. Das Tiefpassfilter fit erdsymmetrischem Ausgang
vej-wandelt die ursprünglichen Recht-, ecksi6nale in trapezförmige Signale, indem
alle Fourierkomponen- | ten oberhalb einer Grenzfrequenz stark gedämpft werden.
Dabei muss der unsymmetrische Anteil der Leitungsspannungen im Sperrdämpfungsbereich
des Treiberfilters mindestens des Toleranzschema für den Funkstörgrad N nach VDE
0875 entsprechen. Auf diese Weise erhält man zugleich eine minimale STöranfälligkeit
der Datenübertragungs anordnung von aussen wie auch eine hinreichende "Nebensprechdämpfung"
bei der Anwendung von Vielfachkabeln.
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Auf der Empfangsseite des Systems bildet ein erdfreies Hochpassfilter
zusammen mit einem optoelektronischen Gegentakt-Koppler, der einen Tiefpasscharakter
aufweist, einen Bandpass, det hochfrequente Gleichtaktsignale (Störimpulse) unterdrückt.
Diese Schaltung bildet zugleich einen adaptiven Kompromissentzerrer, de* unabhängig
von de- Leitungslänge sowohl die Dampfungs- als auch die Gruppenlaufzeitverzerrungen
der Leitung ausgleicht, und zwar innehalb aes kontinuierlichen Fourierspektrums
der Datensignale als Zufallsfolge von Trapezimpulsen. Sodann werden die Trapeze
vot einem regeneratiren Impulsverstärker wieder in Rechtecke verwanoelt und der
Gegentakt in Gleichtakt umgesetzt. Danach steht die vollständige Information in
der ursprünglichen Signalform wieder zur Verfügung, und zwar mit einem konsinten
Zeitabstand aller Impulsflanken
zu den entsprechenden Flanken der
Steuersignale de Treibers.
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Fig. 2 zeigt die erfindungstypische £eitungstreiber£tufe.
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Diese enthält als Eingangsblock einen Gleichtakt/Gegentakt/Umsetzer
(s. Fig. 1a) aus dem Silizium-Schalttransistor Ts1 in Kollektorbasisschaltung, den
Massewiderständen R1, R2 und R3 und dem integrierten Inverter I in TTL-Schaltkreistechnik,
z.B. dem Typ 7404 von Texas Instruiients. Die Transistorbasis bildet den Gleich;
takteingang der Steuersignale. Durch die Transistorstuie erfolgt keine Signalumkehr.
Ihre niederohmige Dimensionierung und die sta; bilisierte, modulbezogene Betriebsspannung
+UB gewährleisten eine störungssichere Gegentaktsteuerung bei verdrillten, unsymmetrischen
Zuleitungspaaren von einigen Metern Länge.
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Es folgt der Gei=entakt-Leitun,streiber Tr, der hochkapazitiv belastbar
una dessen Ausgangswiderstand sehr niedrig ein muss. Diese Bedingungen erfüllt z.B.
der Typ 9621 von Fairchild in dual-integrierter DTL-Schaltkreistechnik. An dem niederohmigen
Trimmpotentiometer R4 mit praktisch unendlicher Auflösung, das zwischen die Katoden
der Silizium-Zenerdioden Gr1 und Gr2 geschaltet ist, wird die Treiber-EMK nach eine.
weiter unten erläuterten Kriterium genau eingestellt. Fur eine hohe Lastunabhängigkeit
und Temperaturkompensation dieser Spannungsorgen die beiden Zenerdio den, von denen
eine in Flüssrichtung unu die andere in Durchbruchrichtung geschaltet ist.
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Das nachgeschaltete Tiefpassfilter ist quersymmetrisch aufgebaut
und besteht aus vier Längskreisen mit den Kondensatoren C2, C3, C5 und C6, den Drosseln
L1, L2, I3 und I4 und aus den Querkondensatoren C1, C4, C7 und C8. Die Massewiderstände
R5, R6 sind niederohmig und arbeiten als Quellwiderstände des Gegentakttrei bers
Tr, dessen einstellbare ElSK auf das geerdete Nullpotential des Filterausgangs bezogen
viro. In bezug auf das Verhältnis (L1+L2+L3+L4)/(C1+C4+0,5.C7) ist das Filter z.B.
dem Stammkreis
1,2 St I nach VDE 0816 angepasst, ebenso bezuglich
seiner Induktivitätsverlusttaktoren, wodurch seine Wellenparameter im Durchlassbereich
den gleichen Frequenzgang wie diejenigen einer entprechenden Leitung aufweisen.
Die Sperrbetriebsdampfung des Filters beträgt obeihalb einer Ininix1ialen Grenzfrequenz
von 50 kHz mehr als 40 dB. Eine Filterdimensionierung 5. oder höheren Grades kann
approximativ iuit Hilfe eines Katalogs norüierter Tiefpässe (siehe FREQUENZ 15/1961,
Seiten 111 bis 121) vorgenommen werden.
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Fig. 3 zeigt die erfindungstypische Leitungsempfängerstufe. Diese
enthält als Eingangsblock (vgl. Fig. 1a) ein quersymetrisches Hochpassfilter aus
den niederohmigen Massewiderständen R7, 118 und Ru, aer Drossel L5, den Kondensatoren
C9 und C10 und den Lumineszenzdioden LGr1 und LGr2 als Zweiwegabschluss. Bei Strömen
von 3 ... 10 mA beträgt der Spannungsbedarf solcher Dioden 1,0 ... 1,1 V. Der abschlusswiderstand
ist also entsprechend stromabhängig.
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Die Eigenresonanz dieses Vierpols nach dem Produkt 0,5#C9.
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L5 legt man auf die Schwerpunktfrequenz der zu übertragenden PCM-Nachrichtenblöcke
(vgl. Fig. 1b), das ist die diskrete Frequenz des betreffenden Fourierspektrums
mit dem grössten Energieanteil.
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Der Vierpolwellenwiderstand nach dem Verhältnis L5/0,5.C9 wird mit
uem Leitungswellenwidierstand der Schwerpunktfrequenz in Ubereinstimmung gebracht,
die Zeitkonstante L5/R7 mit derjenigen der Leitung und die Widerstände R5, R6, R8,
R9 nach Fig. 2 bzw. Fig.
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mit dew halben Leitungswellenwiderstand der Schwerpunktfrequenz.
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Indem man den Treiberausgang direkt auf den Empfängereingang schaltet,
stellt man die Treiber-EMK am Potentiometer R4 nach Fig. 2 so ein, dass Eingang
und Ausgang bei der PCM-Schwerpunktfrequenz einander angepasst sind. Diese kritische
Frequenz wird durch eine entsprechende Rechteckimpulsfolge mit dem Tastverhältnis
1 dargestellt. Anpassung ist gegeben, wenn die Spannung am symmetrischen Tiefpasseingang
des Treibers der halben Leerlaufspannung entspricht.
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Der dynamisch abgeschlossene Hochpassiverpol des Empfänge wirkt somit
als adaptiver Kompromissentzerrer für verträgliche Fernsprechleitungen, d.h. er
gleicht unabhängig; von der Leitungslänge sowohl Dämpfungs- als auch Gruppenlaufzeitverzerrungen
aus.
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Durch Labormessungen wurde festgestellt, dass bei einer PCM-Schverpunktfrequenz
von 10 kHz und einem Schwerpunktwellenwiderstand von 150 Ohm i Frequenzbereich 5
... 20 kHz ein Entzerrungsgrad von weniger als 2 dB erzielt wird. Oberhalb LOkHz
ist die Gruppenlaufzeit normaler Fernsprechleitungen ohnehin frequenzkonstant unc
ihre Wellendämpfung steigt bis 50 kHz nur geringfügig. Die adaptive Wirkung des
Entzerrers erklärt sich aus der Stromabhängigkeit des Hochpassabschlusses. Je länger
die Leitung, umso geringer sinX die Betriebsströme und umso grösser sind Betriebsdämpfung
und; Betriebsphasenmass des Entzerrers bei niedrigen Frequenzen.
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Die Lumineszenzdioden LGr1 und LGr2 sind mit je einem Phototransistor
(PhTs1 und PhTs2) zu den optoelektronischen Kopplern OC1 und OC2 integriert. Beide
Halbleiterarten sind nur durch eine Lichtbrücke miteinander verbunden und arbeiten
elektrischscheinander völlig getrennt. Der Eingangskreis ist daher erdfrei uns ser
Ausgangskreis ohne Rückwirkung. Für das erfindungstypische Ubertragungssystem ist
der Koppler MCO 1001 von Motorola mit einer Isolierspannung von 2,5 kV besonders
geeignet. Der mittlere Anteil des Diodenstroms, der durch die Lichtbrücke in den
Kollktorkreis transferiert wird, beträgt hierbei 60 %. Der Koppler hat Tifpasscharakter.
Die betreffende Grenzfrequenz hängt von den Lastwiderständen R10-11 ab, wie auch
die Schaltzeit des Phototransistors.
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Das Gesamtsystem erhält damit Bandpasscharakter. Störfrequenzen in
MHz-Bereich werden vom Empfänger unterdrückt.
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Der nachgeschaltete schnelle Differentialkomparator Ko von hoher
Empfindlichkeit arbeitet als reLenerativer Impulsverstär ker, der die Schaltzeiten
der Phototransitoren koü ensieri unu zugleich als Gegeatakt/Gleichtaktui;L;etzer
arbeitet. kein nieuelohjiiger Ausgang schaltet z'ischen +3 V und -0, V, je nachdem
eine
positive Spannung an seinem Plus- oder Minuseingang liegt.
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Der hochohmig Massewiderstand R12 sorgt für die Ruhelage des Komparators
bei offenem Empfängereingang. Für das erfindungstypische übertragungssystem ist
der Komparator 710 von Fairchild besonders geeignet.
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Silizium-Schalttransistor Ts2 mit dein Basiswiderstand R13 und offenem
Kollektor als Ausgangsstufe des Empfängers ermöglicht eine Gleichtaktübertragung
der regenerierten Signale mit verdrillten Leitungspaaren von einigen Metern Länge.
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Fig. 4 zeigt den erfindungstypischen Leitungsverstärker.
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Bei diese ist der Gegenaktausgang des Empfängers direkt auf den Gegentakteingang
des Senders geschaltet. Damit entfällt die Kompa ratorstufe des Empfängers nach
Fig. 3 und die Gleichtakt/Gegentakt-Umsetzerstufe des Senders nach Fig. 2. Die Kompensation
der Schaltteiten der Phototransistoren und damit die Impulsregenerierung ei folgt
hierbei durch die Silizium-Schalttransistoren Ts3-4 mittels der Rückführung ihrer
Kollektorspannungen zur jeweiligen Phot obasis, die über den Massewiderstand R15
bzw. R17 hochohmig zum Null otential der Phantomschleife PhS abgeleitet ist. Phantomschleife
sind Kabelstromwege, die nicht zur Nachrichtenübertragung, sonder für die Zuleitung
von Versorgungsenergie verwendet werden. Die Im pulsflankensteilheit liefern die
RC-Schaltungen aus den Massewidestänuen R14, R16, R18 und R19 und den Kondensatoren
C11, C12, C13 und C14. srbeitswiderstände der Phototransistoren im Kollektorkreis
sind R20, R22, diejenigen der Transistoren Ts 3-4 sind 1121, R24.
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Der Verstärker wird über die Phantomschleife PhS mit eingeprägtem
Strom ferngespeist. Die ungeregelte und nicht gesiebte Schleifenspannung +US ergibt
den Strom, der über eine superschnel le schmelzsicherung Si geführt wird. Der integrierte
Spannungsreg ler SpR mit dex Vorwiderstand R25, den Siebkondensatoren C15-16 und
dem Spannungsteiler aus des Festwiderstand R23 und dem Trimmpotentiometer
R26
für den Reglerfuss,unkt F liefert die geregelte und gesiebte Betriebsspannung +UB,
die an R26 einstellbar ist.
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Diese Reglerschaltung mit einstellbarer Betriebsspannung wird vorteilhaft
auch fur den Sender nach Fig. 2 angewendet.
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Das erfindungsgemässe System kann also einfach au handelsüblichen
diskreten Bauelementen und aus handelsüblichen integrierten Schaltungen zusammengestellt
werden. Die besondere art der Zusammenstellung, die elektrische Dimensionierung
und die daraus resultierenden übertragungstechnischen Eigenschaften kennzeichnen
das erzielte System, das eine code-unabhängige, also transparente PCM-Datenübertragung
ermöglicht.
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Ein vollstandiges Datenubertragungssystem besteht in der Regel aus
einem Multiplexteil und einem Leitungsteil, der Gegenstand vorliegender Erfindung
ist.
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Die Vorteile des Systems sind also insbesondere die Einhaltung des
zulässigen Funkstörgrades gemäss VDE, die geringe Bitfehlerrate, die kostensparende
Installation ¼it DIN-Teilen aer Fernsprechtechnik und die anwenubarteit auf festgeschalteten
Fern sprechstromwegen.