DE2447451A1

DE2447451A1 - Digitalsignaluebertragungsanordnung

Info

Publication number: DE2447451A1
Application number: DE19742447451
Authority: DE
Inventors: Daniel Matthew Taub
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-12-13
Filing date: 1974-10-04
Publication date: 1975-06-19
Also published as: US3949168A; GB1448099A; FR2254917B1; FR2254917A1; JPS5092605A

Description

Böblingen, den 1. Oktober 1974 ker/se

^nmelderin: International Business Machines

j . Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

.Aktenzeichen der Anmelderin: UK 972 008

bigitalsignalübertragungsanordnung

!Die Erfindung betrifft eine Digitalsignalübertragungsanordnung !entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 für Anlagen, in denen mehrere Sender mit mindestens einem Empfänger über einen gemeinsamen Kanal verbunden sind.

Wenn der Kanal einer solchen Anlage so lang ist, daß er als Übertragungsleitung zu behandeln ist, ist mit Schwierigkeiten aufgrund von Reflexionen zu rechnen. Besonders dann wird es schwierig, wenn z.B. zwei Sender gleichzeitig ein Signal in Form eines SpannungsSprunges auf den Kanal geben.

Als Stand der Technik ist auf die folgenden Veröffentlichungen im IBM Technical Disclosure Bulletin hinzuweisen:

Band 12, Nr. 11, April 1970, Seite 1861 und Band 9, Nr. 10, März 1967, Seiten 1433, 1434.

Entsprechend diesen Veröffentlichungen werden in übertragungsleitungsabschlüssen Dioden verwendet; dort allerdings zu anderen Zwecken als zur Unterdrückung von Reflexionen.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Signalübertragungsanordnung, bei der störende Einflüsse durch Reflexionen möglichst eingeschränkt sind.

Die Lösung dieser Aufgabe ist durch den Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen

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beschrieben.

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Es.wird dabei eine Digitalsignalübertragungsanordnung betrachtet, die einen Empfänger und zwei oder mehr Sender an einem gemeinsamen Kanal aufweist. Jeder einzelne Sender dieser Anlage kann für die Ausgabe eines Binärwertes ein Signal auf den gemeinsamen Kanal geben, indem er den gerade darauf herrschenden Spannungspegel um einen vorgegebenen Betrag ändert; der entgegengesetzte Binärwert wird ohne Einflußnahme des Senders auf den Kanal unter Beibehaltung des herrschenden Pegels dargestellt. Auf der Empfangsseite ist eine Spannungsbegrenzungseinrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe vermieden wird, daß ein empfangenes Signal einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, der gleich oder größer ist, als ein von einem Sender herkommendes Binärsignal, der jedoch kleiner ist, als der doppelte Wert der Amplitude eines solchen Spannungssprunges.

Eine solche Schwellwertvorkehrung kann entsprechend der vorliegenden Erfindung in Form eines Differentialverstärkers ausgeführt werden, der die einlaufenden SpannungsSprünge aufnimmt und dabei jedoch als Begrenzerdiode auf eine vorgegebene Schwellspannung arbeitet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Is zeigen:

Fig. 1 eine Signalübertragungsanlage, die für die

Beschreibung der Erfindung zugrundegelegt wird,

Fig. 2 ein Reflexionsdiagramm, das die an kritischen

Punkten der Anlage gemäß Fig« 1 auftretenden Signale darstellt;

Fig. 3 · die Anlage gemäß Fig» 1 mit einem Zusatz ent-972 008 S09825/0660

sprechend der vorliegenden Erfindung zur Vermeidung von störenden Reflexionseinflüssen,

Fig. 4 das Reflexionsdiagramm entsprechend Fig. 3,

■ . a

Fig. 5 ^v· einen Versuchsaufbau entsprechend der Erfindung,

JFign. 6 bis 8 mit der Anordnung gemäß Fig. 5 gewonnene Ergeb- ! nisse mit und ohne Vorkehrung des erfindungs-

\ gemäßen Zusatzes,

IFigi 9 ein praktisches Ausführungsbeispiel der vorlie-I genden Erfindung und

:Fig. 10 eine geringfügige Abwandlung davon.

Fig. 1 zeigt die betrachtete Sxgnalübertragungsanlage mit einer übertragungsleitung, die an ihren beiden Enden ordnungsgemäß mit je einer Impedanz R abgeschlossen ist, und mit Sendern und einem Empfänger, die an beliebigen Punkten der Leitung angeschlossen sind. Die Sender sind auf den Seiten A und B der Leitung vorgesehen und dazu des weiteren der Empfänger am Punkt C, der etwas näher zur Seite A liegt als zur Seite B.

Beide Sender sind als nichtlineare Schaltkreise zu betrachten, mit deren Hilfe eine binäre "1" durch Anlegung einer gegebenen Spannung an die Leitung übertragen werden kann. Eine binäre ¹¹O" wird praktisch ohne Einflußnahme des Senders auf die Leitung übermittelt. Dazu wird als Sender je ein Spannungsgenerator in Reihe mit einer Diode verwendet, wie dies in Fig. 1 zu erkennen ist. Wenn eine "0" übertragen werden soll, wird nichts abgegeben, und wenn eine "1" zu übertragen ist, wird eine Spannung V kurzzeitig übermittelt. Der Spannungsabfall der Diode in Durchlaßrichtung ist dabei vernachlässigbar.

Das Reflexionsdiagramm gemäß Fig. 2a erläutert die Vorgänge, UK 972 008 509825/0660

-A-

iie dann zwischen den Punkten A und B auftreten, wenn die meiden vorgesehenen Sender gleichzeitig von "O" nach "1" umschalten. Jeder Sender gibt einen Spannungssprung V. in entgegengesetzten Richtungen über die Leitung ab, wobei jede der Senderdioden zu Beginn einen Stromwert 2V/R führt.

Nach einer Zeit T, die durch die Übertragungseigenschaften der Leitung bestimmt wird, erreicht der Spannungssprung vom Sender bei A das Ende B, und weil bei B eine gewisse Pehlanpassung unvermeidlich ist, wird dieser Sprung als Spannungssprung -V. reflektiert. Ähnlich wird der bei B eingegebene Spannungssprung als Sprung -V. reflektiert, wenn er bei A ankommt. Diese Reflexionen verursachen das Abfallen der Diodenströme der betrachteten Sender auf O, wie dies in Fig. 2b dargestellt ist. Weitere Reflexionen wirken zu den Zeiten 2T, 3T und so fort, wobei die Diodenströme, wie in Fig. 2b dargestellt, beeinflußt werden. Die Spannung V- am Empfänger ist jeweils die Summe der einlaufenden SpannungsSprünge. Die sich für V_c ergebende Wellenform ist in der Fig. 2c dargestellt. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß der Empfänger das auf der Leitung einlaufende Signal abtastet, um daraus zu ermitteln, was übertragen wird, ist wohl einzusehen, daß es sehr wichtig ist, zu welchem Zeitpunkt die Amplitude abgetastet wird. Wenn z.B. zur Zeit T abgetastet wird, herrscht gerade ein Wert 2V., wohingegen zur Zeit 2T eine Spannung 0 abgetastet würde, was augenfällig falsch wäre.

In Fig. 3 ist fast dasselbe dargestellt, wie in Fig. 1, jedoch mit der Ausnahme, daß eine Begrenzeranordnung über der Leitung am Punkt C vorgesehen ist. Die Werte dieses zusätzlichen Kreises sind so bemessen, daß die Spannung am Punkt C nicht über V hinausgehen kann. Die Auswirkung der Begrenzeranordnung ist in Fig. 4 dargestellt.

Es wird wiederum angenommen, daß beide Sender bei A und B gleichzeitig von "0" nach "1" umschalten. Somit werden Spannungssprünge gleichzeitig ausgegeben, wie dies links in Fig. 4a

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äargestellt ist. Der von A ausgehende Sprung passiert C zur Zeit t₁ und hebt dabei die Spannung V auf V an; jetzt fließt noch kein Strom durch die Begrenzerdiode. Wenn nun der Spannungssprung vom Sender bei B am Punkt C etwas später zur Zeit t₂ ankommt, sorgt die vorgesehene Begrenzerdiode dafür, daß V_c nicht weiter ansteigen kann und daß der Spannungssprung als 3pannungssprung -V. zurück zum Sender bei B reflektiert wird. Es treten nunmehr weitere Reflexionen zwischen B und C auf, lie von den auf beiden Seiten eingegebenen Spannungssprüngen bestimmt werden. Die sich ergebende Wellenform an einem Punkt D in der Mitte zwischen B und C schwingt wiederum hin und her, wie äie in Fig. 2b dargestellte. Bei C jedoch bleibt die anstehende Spannung auf V. begrenzt, bis der Sender wieder auf 0 geht. Siehe dazu Fig. 4c. In Fig. 4d ist der Strom in der Begrenzerdiode am Punkt C dargestellt; darin läßt sich erkennen, daß der Einfluß der Reflexionen an diesem Punkt dazu führt, daß der Strom zwischen 0 und 2V./R wechselt, wohingegen die Spannung auf V"_t gehalten wird.

Der Versuchsaufbau gemäß Fig. 5 verwendet zwischen vier Stationen A, B, C und D eine 90 Ohm-Koaxialleitung. Die Stationen A und B arbeiten als Sender, während die Stationen C und D Empfänger simulieren mit Begrenzerdioden an +0,8 Volt. Der Abstand zwischen den einzelnen Stationen beträgt ungefähr 25 m.

Die Fign. 6 bis 8 zeigen an den Empfängern unter verschiedenen Bedingungen gemessene Wellenformen.

Im Ruhezustande führt die Leitung eine ständige Spannung von 2,5 Volt, was dem Binärwert "0" entspricht. Um eine "1" auf die Leitung zu übertragen, wird der in der betroffenen Sende*- station vorgesehene Transistor eingeschaltet und reduziert die Leitungsspannung auf ungefähr 0 Volt. Die Begrenzerkreise in den Empfängern verhindern, daß die Leitung ins Negative geraten kann. Unter Versuchsbedingungen wurden die Sender bei A und B gleichzeitig von "0" nach "1" geschaltet. Dabei wurden die

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Oszillogramme gemäß Fign. 6 bis 8 unter den folgenden Bedingungen beobachtet:

■ " ι

a) Keine BegrenzwMpMKung bei C und D, siehe Fig. 6,

b) Begrenzung bei C, aber nicht bei D, siehe Fig. 7, ,

c) Begrenzungen bei C und D, siehe Fig. 8.

Es läßt sich somit erkennen, daß bei Vorkehrung der Begrenzer- i kreise in jedem der Empfänger störende Schwingungen vermieden ; werden können. !

Für relativ große Signalamplituden auf. der Leitung genügen die einfachen Begrenzeranordnungen gemäß Fig. 5. In praktischen An- ' Wendungen sollen jedoch die zu übertragenden Leistungen in Gren- I zen und die Versorgungsspannungen so niedrig wie möglich gehal- ■

i ten werden. Damit werden natürlich die Pegel der verwendeten Signalspannungen eingeschränkt. Wenn die Signalspannung den 3- oder 4-fachen Wert des Durchlaßspannungsabfalls der Begrenzerdiode hat, dann wird die Begrenzerwirkung eingeschränkt und man sollte nach einer anderen Begrenzerschaltung suchen.

Wenn die verwendete Signalamplitude kleiner als 1 Volt ist, dann ist der Spannungsabfall von 0,7 Volt in einer Siliziumdiode bereits zu groß und auch der 0,4 Volt-Spannungsabfall in einer Schottky-Diode könnte Schwierigkeiten bereiten. Idealerweise sollte der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung 250 Millivolt oder kleiner sein. Anhand der Fig. 9 werden Schaltkreise beschrieben, die diese Eigenschaft aufweisen.

Entsprechend Fig. 9 sind zwei Transistoren T1 und T2 zwischen den beiden Bezugsspannungen +V₁ und -V₂ angeordnet, um die Stromwerte für weitere Transistoren T6 und T7 sowie für T3, T1O und T11 zu bestimmen. Ein Bezugsstrom I _f fließt ständig über T1, R1 und T2, wobei in T3, T10 und T11 derselbe Strom fließt wie in T2, und in T6 und T7 derselbe wie in T1. Dies aufgrund eines allbekannten Strommechanismus bei Transistoren.

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Die Transistoren sind so gewählt, daß der Strom in T6 ungefähr :3/4 des Stromes in T3 ist, während der Strom in T10 und T11 jhalb so groß ist wie der in T7. Diese Werte sind im Schaltbild !gemäß Fig. 9 verzeichnet.

|T3 definiert den Verzweigungsstrom I für die beiden Transistoren lT4 und T5; T7 definiert ähnlich den verzweigten Strom I_ für die Transistoren T8 und T9. Ein wie dargestellt vorgesehener Widerstand R2 hat die Größe 0

jSo lange keiner der vorgesehenen Sender einen Kurzschluß über die Leitung anlegt, ist der Leiter X positiver als der Leiter Y. Der gesamte Strom I. fließt über T4 und läßt T5 gesperrt. Dabei fließen von T6 3/4 von I₁ insgesamt über R2. Die Basis von T9 liegt dabei ungefähr 0,3 Volt tiefer als die Basis von T8. Somit fließt !der gesamte Strom I„über T9.

i - £■

Da TU nur die Hälfte von I₂ führt, fließt die andere Hälfte von I₂ von T9 über die Diode D7 nach T10, wobei der Strom I₃ gleicl -1/2 I₂ ist. Die Basis von T12 wird negativer als sein Kollektor und Emitter; somit wird T12 gesperrt.

Wenn ein Sender die Leiter X und Y verbindet, werden T4 und T5 mehr oder weniger gleich stark leitend und der Strom in T5 die Hälfte von I₁. Während T6 3/4 von I₁ fließen läßt, fließt das restliche 1/4 von I₁ über R2 in der gleichen Richtung wie vorher betrachtet, wobei eine Spannung von 0,1 Volt abfällt.

Dies genügt, um praktisch den gesamten Strom I₂ durch T9 fließen zu lassen; T12 bleibt gesperrt.

Wenn nunmehr der Leiter Y mehr als ungefähr 100 Millivolt positiver wird als der Leiter X, fließt praktisch der gesamte Strom I₁ über T5. T6 läßt nur 3/4 von I₁ zu. Sein Kollektor wird dabei negativer und läßt den Strom in R2 auf 1/4 von I₁ in umgekehrter Richtung wechseln. Dabei wird die Basis von T8 ungefähr 0,1 Volt negativer als die Basis von T9. T9 sperrt und läßt den gesamten

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"— ft —

Strom I_ über T8 fließen. Dabei wechselt 13 von -1/2 I„ auf + 1/2 I-. T12 wird eingeschaltet und die Leiter X und Y überbrückt.

Wenn der Leiter Y wieder negativer wird, wird I₃ zu -1/2 I₃. Ein umgekehrt gerichteter Basisstrom wird durch T12 gezogen und sperrt diesen Transistor. Nunmehr fließt auch wieder der Strom über D7.

Die Aufgabe der Dioden D4, D5 und D6 ist es zu verhindern, daß die Begrenzeranordnung eine Belastung für die Leitung bilden kann, wenn die örtliche Versorgungsspannung ausfallen sollte.

In Fig. 10 ist eine etwas abweichende Alternative dargestellt, die sich für die Ausführung in monolithischer Technologie eignet. Bei dieser Anordnung ist die Anforderung an die PNP-Transistoren eingeschränkt worden, da bei der Anordnung solcher Transistoren auf dem gleichen Chip mit NPN-Transistoren die PNP-Transistoren gewöhnlich ein zu kleines Beta aufweisen. Gemäß Fig. 10 sind die bisherigen PNP-Transistoren T1, T6 und T7 durch jeweils ein PNP/NPN-Paar ersetzt worden. Die Anordnung gemäß Fig. 10 arbeitet im übrigen in der gleichen Weise wie die Anordnung gemäß Fig. 9.

Ohne vom Erfindungsgegenstand abzuweichen, lassen sich selbstverständlich durch den Durchschnittsfachmann auch weitere abgewandelte Schaltkreise verwenden. Es ist z.B. bekannt, daß Dioden durch entsprechend geschaltete Operationsverstärker simuliert werden können, die einen besonders geringen Durchlaßwiderstand aufweisen. Eine solche Anordnung würde ebenfalls dem vorliegenden Erfindungsgegenstand entsprechen. Auch könnte es von Vorteil sein, die Begrenzerspannung nicht allzu nahe der Amplitude der übertragenen Spannungssprünge festzulegen. Die Begrenzung kann ohne weiteres höher liegen, als die übertragenen Spannungssprünge, sollte jedoch vorzugsweise immer noch unter dem doppelten Wert der vorgesehenen Spannungssprünge belassen bleiben. Günstig wäre z.B. ein Schwellwert, der etwa 50 % höher liegt als die Spannungssprungamplituden.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Digitalsignalübertragungsanordnung für Anlagen, in denen mehrere Sender mit mindestens einem Empfänger über einen gemeinsamen Kanal verbunden sind

und die übertragung von Binärwerten der einen Wertigkeit durch Änderung des Kanalpegels um einen vorgegebenen Wert erfolgt, bei zu übermittelnden Binärwerten der entgegengesetzten Wertigkeit jedoch der jeweils herrschende Kanalpegel beibehalten wird,
dadurch gekennzeichnet,

daß Begrenzerkreise an sämtlichen vorgesehenen Empfängern vorgekehrt sind zur Vermeidung des Überschwingens der empfangenen Signale über einen vorgegebenen Schwellwert hinaus,

der gleich oder größer bemessen ist als die von einem arbeitenden Sender empfangenen Kanalpegeländerungen, der jedoch immer noch kleiner ist als der doppelte Wert der Kanalpegeländerungsamplituden.
2. Anordnung nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch einen Schwellwert, der etwa dem 1,5-fa chen Kanalpegeländerungswert gleicht.
3. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch Begrenzerkreise in Form je einer Begrenzerdiode (D in Fig. 3), die mit dem gewählten Schwellpotential (1...2 V_fc) verbunden ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch Begrenzerkreise in Form je eines empfangsseitigen Differentialverstärkers (T1 bis T11 in Fig. 9), der auf die zwischen den beiden Leitern (X, Y) der übertragung»leitung herrschenden Signalpegeldifferen zen anspricht,

und durch einen durch diesen Differentialverstärker gesteuerten Schalttransistor (T12) zwischen den beiden Lei-

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tern (X, Y), der die Pegeldifferenz zwischen diesen Leitern auf den vorgegebenen Schwellwert oder darunter begrenzt.

Anordnung nach Anspruch 4 mit einem Differentialverstärker, der dadurch gekennzeichnet ist,

daß er zwei in Kaskadenschaltung verbundene Stromverzwexgerkreise (T3 bis T5 und T7 bis T11) aufweist, deren jeder über eine konstante Stromquelle (T6 und T7) gespeist wird, daß der erste dieser Stromverzweigerkreise (T3 bis T5) eingangsseitig mit den beiden Leitern (X, Y) der übertragungsleitung verbunden ist, wobei je nach Pegeldifferenz zwischen den Leitern entweder der eine oder der andere Stromzweig geöffnet wird, und

daß der zweite der Stromverzwexgerkreise (T7 bis T11) eingangsseitig mit den beiden Ausgängen des ersten Stromverzweigerkreises (T3 bis T5) und ausgangsseitig mit dem Eingang (Basis/Kollektor) des Schalttransistors (T12) zwischen den beiden Leitern(X, Y) verbunden ist.

Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in deren Sendern Schaltkreise vorgesehen sind, die im Leerlauf die Pegeldifferenz zwischen den beiden Leitern (X, Y) der Übertragungsleitung auf einem vorgegebenen Wert bei vorgegebener Polarität (+) halten, daß zur Signalübertragung (Binärwert "1") die Senderschaltkreise die Pegeldifferenz zwischen den beiden Leitern (X, Y) jeweils nahezu aufheben (0 Volt) und daß der empfangsseitige Schalttransistor (T12) im eingeschalteten Zustand die senderseits in negativer Richtung veränderte Pegeldifferenz zwischen den beiden-Leitern (X, Y) auf einen Wert nahe 0 begrenzt, wobei ein unerwünschtes weiteres überschwingen in negativer Richtung unterdrückbar ist.

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