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Schaltungsanordnung zur Datenübertraaung auf Fernsprechleitungen
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Scha.tungsanordnung zur Datenübertragung
auf Fernsprechleitungen durch gleichzeitiges Übertragen je einer Signalfrequenz
von mehreren Frequenzgruppen in Abhängigkeit der Daten einer Datenendeinrichtung.
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Das Fernsprechnetz ist für die Übertragung von Gesprächssignalen ausgelegt
mit einem Frequenzband von 300 bis 3400 Hz. Eine Datennachricht kann daher über
das Fernsprechnetz nicht als Gleichstromsignal übertragen, sondern muß speziell
dazu aufbereitet werden. In der Regel handelt es sich dabei um Modulationseinrichtungen
zur Erzeugung modulierter Trägerschwingungen, die auf der Empfangsseite natürlich
wieder demoduliert werden müssen. Die Teilnehmerstationen müssen daher mit Modulations-
und Demodulationseinrichtunoen versehen sein, und man nennt derartige Einrichtungen
deswegen auch Modem.
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Bei einem bekannten Übertragungsverfahren werden drei Signalfrequenzen
gleichzeitig übertragen, die jeweils aus einer Frequenzgruppe, welche vier Frequenzen
umfaßt, stammen.Qiese Signalfrequenzen werden in Abhängigkeit von Steuersignalen
einer Datenendeinrichtung auf der Sendeseite erzeugt, wofür Oszillatoren mit umschaltbaren
Spulen und Kondensatoren eingesetzt werden. Die Ausgangsspannungen dieser Oszillatoren
werden dann über Additions- und Anpaßschaltungen auf die Fernsprechleitungen gegeben.
Der Aufbau dieser auch als Datensender bezeichneten Cszillatoren ist wegen der Umechalteinrichtungen
sehr aufwendig
und erfordert darüber hinaus umfangreiche Aboleichvorgänge
bei der Herstellung, so daß diese Art der zur Dateübertragung erforderichen Aufbereitung
insgesamt als unbefriedigend gilt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
vorzusehen, die in der Lage ist, die gewünschten Sionalfrequenzen zur Datenübertragung
mit geringem Aufwand und vienig Störprodukten zu erzeugen. Diese Aufgabe ist durch
die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung gelöst.
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Die erfindungsgemäße Maßnahme ermoglicht den Aufbau eines Datensenders
sowohl mit diskreten Baustufen als auch mit einem programmierbaren Mikrocomputer.
Die festgelegten Beziehungen zwischen den zu erzeugenden Signalfrequenzen und einer
Grundfrequenz sowie zwischen der Taktfrequenz und der Grundfrequenz erleichtern
dabei den Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, weil hierdurch der Einsatz
einfacher Logikbausteine möglich wird.
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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Datenübertragung mit diskret dargestellten
Baustufen und Fig. 2 eine mit einem programmierbaren Mikrocomputer aufgebaute Schaltungsanordnung.
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Wie aus der Darstellung nach Fig. 1 hervorgeht, können von einer symbolisch
angedeuteten Datenendeinrichtung 1 drei Adresseninkrementgeber 2,3,4 angesteuert
werden. Die für jede Frequenzgruppe eingezeichneten vierten Leitungen sind festlegungsgemäß
nicht tatsächlich vorhanden, sondern ein Signal, das hier erscheinen sollte, wird
am Fehlen von Signalen auf allen der anderen drei Leitungen erkannt. Diesen drei
Adresseninkrementgebern
2,3,4 cind jeweils vier Signalfrequenzen
zugeordnet, deren Verhältnisce zu einer Grundfrequenz darin gespeichert sind. Die
Ausgangssignale dieser AdresFeninkrementgeLEer 2,3,4 stellen Adresseninkremente
(Adreccenzur,ehmen) dar, die jeweils einem Eingang je einer digitalen Addierstufe
5,6,7 zugeleitet sind. Neben diesen Adresseninkrementen erhalten diese Addierstufen
5,6,7 von zugeordneten taktgesteuerten Adressenspeichern 8,9,10 einmal pro Taktperiaode
den jeweiligen Inhalt zur Addition zugeleitet. Das Additionsergebnis wird anschließend
wieder in die zugeordneten Adressenspeicher 8,9,10 eingegeben, so daß die Adressen
in den auf die Werte der zu erzeugenden Signalspannungen bezogenen Adressenspeichern
taktabhängig fortgeschaltet werden. Ein taktgesteuerter multiplexer 11 tastet dann
reihum die Adressen der Adressenspeicher 8,9,10 ab und schaltet diese auf einen
die Werte der zu erzeugenden Signalspannungen enthaltenden Festwertspeicher 12,
der auch als programmierbarer Festwertspeicher aufgebaut werden kann. Mit einem
taktgesteuerten Demultiplexer 13 werden dann die jeweiligen Werte, die insgesamt
eine Periode von Sinusfunktionswerten bilden auf drei den Frequenzgruppen zugeordnete
Zwischenspeicher 14,15,16 aufgeteilt und anschließend einer digitalen Addierstufe
17 zur Erzeugung eines Summensignals zugeleitet. Dieses Summensignal wird danach
mit einem Digitai-Analog-Wandler 18 in ein Analogsignal gewandelt und über ein Tiefpaßfilter
19 auf eine Fernsprechleitung gegeben.
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Die erfindungsgemaße Schaltungsanordnung kann, wie Fig. 2 zeigt, auch
mit einem Mikrocomputer anstelle von diskreten Baustufen 2 bis 17 aufgebaut werden.
Der Mikrocomputer 25, dessen Schaltfunktionen durch einen auf Schaltkontakte einwirkenden
Pfeil 26 symbolisch angedeutet sind, gibt dabei die von ihm synthetisch erzeugten
Signalfrequenzen auf den Digital-Analog-Wandler 18, der hier durch Widerstände dargestellt
ist. Das nachgeschaltete
Tiefpanfilter 19 ist hier in seinen Schaltungseinzelheiten
dargestellt, und es besteht aus einem aktiven Tiefpaßfilter 27 mit einem vorgeschalteten
aktiven Sperrfilter 28. Das Sperrfilter 28 enthält als frequenzsbestimmendes Glied
ein Doppel-T-RC-Glied 19,30, das zwischen dem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers
18 und dem nichtinvertierenden Eingang eines für den Aufbau des aktiven Sperrfilters
erfcrderlichen Cperationsverstzrkerc 31 liegt. ur Erzielung der gewünschten Filterfunktion
ist das Doppel-T-RC-Glied einerseits durch einen Kondensator 32 belastet, und andererseits
sind davon die Querglieder auf den Ausgang des Operationsverstärkers geschaltet.
Der invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers 31 ist dabei direkt mit seinem
Ausgang verbunder,. Das aktive Sperrfilter 28 dient zur Versteilerung der Dämpfungskurve
des nachfolgenden aktiven Tiefpaßfilters 27, das aus zwei den Ausgang des Sperrfilters
28 mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 33 verbindenden
Langswiderstanden 34 und einem vom nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers
33 nach Masse führenden Kcndensator 35 besteht. Außerdem ist vom Ausgang des Cperationsverstärkers
33 noch ein Kondensator 36 zur Rückkopplung auf den Verbindungspunkt der Längswiderstände
34 geschaltet, während der invertierende Eingang direkt mit dem Ausgang verbunden
ist.
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Die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen nach Fig. 1 und Fig. 2
werden dimensioniert und arbeiten wie folgt: Die möglichen Signalfrequenzen werden
zuerst als ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz dargestellt oder innerhalb
zulässiger Toleranzen hierdurch angenähert. Gleichzeitig wird die Taktfrequenz,
mit welcher die Adressenspeicher, der Multiplexer und der Demultiplexer getaktet
werden, festgelegt, die mindestens das Doppelte der gegebenenfalls um die Datenübertragungsrate
erhchten größten Signalfrequenz beträgt und
ebenfall ein ganzzahliges
Vielfaches der erwähnten Grundfrequenz ist. Im Hinblick auf einen möglichst einfachen
Aufbau der Schaltuncsãncrdnung nach Fig. 1 ist das Verhältnis der Taktfrequenz zur
Grundfrequenz vorzugsweise auf eine ganzzahlige Potenz von 2 festgelegt. Im Festwertspeicher
12, der sowohl als reiner Festwertspeicher als auch als programmierbarer Festwertspeicher
aufgebaut sein kann, sind die Funktionswerte der zu erzeugenden sinusfcrmigen Signalspannungen
zu oquidistanten Argumenten gespeichert, so daß sich gerade eine vclle Feric:de
der Signalspannung ergibt und die Zahl der gespeicherten Funktionswerte gleich dem
Verhältnis der Taktfrequenz zur Grundfrequenz ist. In den Adresseninkrementgebern,
wofür auch Speicher oder Speicherteile des Festwertspeichers 12 benutzt werden können,
sind die Verhältnisse aller der möglichen Signalfrequenzen zur Grundfrequenz gespeichert,
wobei das Ausfallen einer ganzen Frequenzgruppe durch eine gespeicherte Null bewirkt
wird. Die zuvor erwähnten Vcrausetzungen gelten, wie bereits erwähnt, sowohl für
die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 als auch für die nach Fig. 2, wo die diskret
dargestellten Baustufen durch einen mit Speicher- und Ein- und Ausgabebausteinen
versehenen programmierbaren Mikrocomputer realisiert sind.
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Die Signal frequenzen werden durch die zu übertragenden Daten ausgelöst,
und zwar sowohl durch Ansteuerung der Adresseninkrementgeber nach Fig. 1 als auch
der Eingabebausteine nach Fig. 2. Dadurch werden in Abhängigkeit der festgelegten
Frequenzverhältnisse Adresseninkremente den jeweiligen Addierstufen zugeleitet,
die von den zugeordneten taktgesteuerten Adressenspeichern einmal pro Taktperiode
deren Inhalzugeschaltet bekommen. Adresse und Adresseninkrement werden addiert und
als neuer Adreßwert in den jeweiligen Adressenspeicher eingeschrieben. Die Addition
erfolgt modulo der Sinusspeicherlänge, damit sich eine Sinusperiode nahtlos an die
andere reiht. Innerhalb jeder Taktperiode werden nacheinander
die
Adressen aller den Frequenzgruppen zugeordneten Adressenspeicher durch den Multiplexer
abgetastet und damit der Festwertspeicher adressiert. Die adressierten Funktionswerte
werden aus dem Festwertspeicher ausgelesen und durch den Demultiplexer auf die den
einzelnen Frequenzgruppen zugeordneten Zwischenspeicher verteilt. In der nachfolgenden
Addierstufe 17 wird aus den Einzel signalen ein Summensignal gebildet, das nach
Wandlung im Digital-Analog-Wandler t8 über das Tiefpaßfilter 19 auf eine Fernsprechleitung
gegeben wird.
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Die so am Ausgang synthetisierte elektrische Spannung kann man sich
auch als Funktion über der Zeit eines idealen durch "Sample-and-Hold" erzeugten
Spannungsverlaufs vorstellen. Die Summe der sinusförmigen Spannungen mit den gewünschten
Frequenzen gleicher Amplitude wird mit der genannten Taktfrequenz (Samplingsrate)
abgetastet, jeder Abtastwert quantisiert und bis zur nächsten Abtastung, d.h. für
den Zeitraum der Abtastperiode, festgehalten. Bei den synthetisch erzeugten Signalspannungen
treten auch ungewünschte Störprodukte auf, die mit Hilfe des nachgeschalteten Tiefpaßfilters
abgesiebt werden. Wenn die höchste zu erzeugende Signalfrequenz (einschließlich
des oberen Seitenbandes) mit f und die Taktfrequenz fS bezeichnet wird, g so ergibt
sich für die Amplitude einer zu erzeugenden Signalspannung ein Multiplikationsfaktor
folgender Form: sin (r f/fs) 7rf/fs Das bedeutet, die Amplitude einer Signalspannung
wird umso stärker herabgesetzt, je höher die Signalfrequenz ist, und es treten Störungen
bei Frequnezen ab fs - f t f5 - f auf. Außerg dem tritt sogenanntes Quantisierungsrauschen
auf allen harmonischen Frequenzen der Grundfrequenz auf. Das nachgeschaltete Tiefpaßfilter
mit einer Korrekturcharakteristik bis fg und einem Sperrbereich, welcher zwischen
f und f5 - f beginnt, stellt g g den gewünschten zeitlichen Spannungsverlauf in
guter Annäherung her. Für das Tiefpaßfilter ist dabei ein mit einem aktiven Sperrfilter
versehenes
aktives Tiefpaßfilter eingesetzt, das besonders dann, wenn der Analog-Digital-Wandler
mit einem diskreten Widerstandsnetzwerk aufgebaut ist, vorteilhaft in die die Charakteristik
bestimmenden Glieder des Tiefpaßfilters eingeschlossen werden kann.
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Bei einem praktischen Anwendngsbeispiel ist für den Mikrocomputer
ein Mikroprozessor mit einer Taktfrequenz von ca.
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3,2 MHz eingesetzt. Damit können gleichzeitig drei Tcnfrequenzsignale,
und zwar je eine Frequenz aus drei jeweils vier Signal frequenzen umfassenden Frequenzgruppen
synthetisiert und zur Übertragung aufbereitet werden. Der Mikrocomputer ist dabei
so programmiert, daß die Funktionswerte während je 25ms, das sind bei einer Frequenz
f f/40Hz Signalperioden, in 128 Schritten abgetastet werden, d.h. der jeweils gespeicherte
Wert der Signalspannungen wird abgefragt. Die Signalfrequenzen der drei Frequenzgruppen
sind bei diesem Anwendungsbeispiel auf jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz
von 40Hz festgelegt. So umfaßt eine Gruppe die Signalfrequenzen 920, 1000, 1080
und 1160Hz, eine zweite Gruppe die Signalfrequenzen 1320, 1400, 1480 und 1560Hz
und eine dritte Gruppe die Signalfrequenzen 1720, 1800, 1880 und 1960Hz.
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Festwertspeicher des Mikrocomputers ist eine Periode von Sinusfunktionswerten
in 128 Elementarsch-itten, d.h. von 2,810 zu 2,81° gespeichert. Das für jede Signalfrequenz
f notwendige Vorrücken im Speicher um einen Schritt von f/40Hz erfordert eine Taktfrequenz
von 5,12kHz. Bei jedem der 5,12-kHz-Abtastschritte wird reihum die digitale Steuerinformation
für eine der drei Signalfrequenzen abgefragt und der jeweils gespeicherte Wert f/40Hz
für die Speicherschrittweite auf den neuesten Stand gebracht. Außerdem werden die
drei von der vorigen Abtastung festgehaltenen Speicherorte (Adressen) um die zugehöhrigen
Speicherschrittweiten (Adresseninkremente) vorgerückt, wobei beim Überschreiten
des Speicherendes vom Speicheranfang an weiter gezählt wird. Die hiernach aus dem
Speicher gelesenen
Augenblickswerte der drei einzelnen sinusförmigen
Signalspannungen werden anschließend addiert und auf einen Digital-Analog-handler
gegeben. Das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers gelangt dann über das Tiefpaßfilter
auf die Fernspre-hleitung, wobei die Amplituden durch das Tiefpaßfilter auf weniger
als 1 dS Unterschied übereinstimmen. Außerdem verhindert das Tiefpsnfilter, daß
der Gesamteffektivwert der Störsignale ca. 5% des esamtPffektivwertes der Nutzsignaie
überschreitet.
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Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters ist hierbei auf ca. 2,5 kHz bemessen,
so daß die Abtastfrequenz von 5,12 kHz wesentlich höher ist als die Grenzfrequenz
des Tiefpaßfilters.
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Neben diesem Anwendungsbeispiel, das sich besonders als Sender für
Außenstations-Parallelmodem nach eier CCITT Empfehlung V.z0 und V.lg eignet, ist
es auch möglich, die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen zur Tonerzeugung für
Mehrfachfrequenzwahlverfahren und Außenstations-Parallelmodems einer weiteren CCITT-Empfehlung
zu benutzen. Hierbei können z.B. zwei Gruppen zu je vier Signal frequenzen im Bereich
von 697 - 1633 Hz vorgesehen werden und jeweils mit Toleranzen von je + 1,8% erzeugt
werden.
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Eine erweiterte Anwendungsmöglichkeit besteht insbesondere für die
Schaltungsanordnung nach Fig. 2, und zwar als nicht gleichzeitig mit dem Datensender
arbeitender Rücksignalempfänger. Der für die Sendefunkticn eingesetzte Mikorcomputer
kann in vorteilhafter Weise auch im wesentlichen die Funktion des Rücksignalempfängers,
und zwar als Frequenzzähler und Vergleichslogik übernehmen. Das Signal des Rückkanals
wird hierbei über ein Bandfilter einem Schmitt-Trigger zugeführt, der die jeweiligen
Polaritätswechsel dem Mikrocomputer meldet. Die Zeit zwischen den Polaritätswechseln
wird durch den Mikrocomputer ausgezählt und mit den zulässigen Grenzwerten verglichen.
Die Vergleichslogik des Mikroccmputers liefert dann das Rücksignal, das durch seine
jeweilige Polarität angibt, cb gerade der Rücksignaltcn empfangen wurde oder nicht.