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Kopplernetzwerk zum Verkoppeln mehrerer Teilnehmersender
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mit mehreren Teilnehmerempfänaern Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Kopplernetzwerk zum Verkoppeln von mehreren Teilnehmersendern mit mehreren Teilnehmerempfängern
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein Kopplernetzwerk der genannten Art ist in der älteren Patentanmeldung
P 31 23 445.3 (VPA 81 P 7054 DE) vorgeschlagen. Bei -diesem Koppelnetzwerk ist ein
senderseitige Eingangstore aufweisender Sternkoppler mit einem empfängerseitige
Ausgangstore aufweisenden Sternkoppler durch die Verbindung nur eines Ausgangstores
des erstgenannten Sternkopplers mit nur einem Eingangstor des zweitgenannten Sternkopplers
verbunden.
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Bei dem vorgeschlagenen Kopplernetzwerk treten keine Echos, d.h. ständig
umlaufende Datenpakete auf, wie dies bei hinsichtlich der Teilnehmerzahl vergleichbaren
Kopplernetzwerken mit nur einem Sternkoppler der Fall ist. Das vorgeschlagene Kopplernetzwerk
kann aber im Vergleich zu Kopplernetzwerken mit nur einem Koppler eine erheblich
höhere Streckendämpfung aufweisen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein echofreies Kopplernetzwerk der genannten
Art dahingehend zu verbessern, daß die Streckendämpfung vergleichsweise erniedrigt
ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Mit einem echofreien erfindungsgemäßen Kopplernetzwerk kann eine Streckendämpfung
erreicht werden, die gegenüber der Streckendämpfung eines für gleiche Teilnehmerzahl
bestimmten Kopplernetzwerkes mit nur einem Koppler nicht erhöht ist.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kopplernetzwerkes
ist im Anspruch 2 angegeben.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Kopplernetzwerkes ist im Anspruch 3 angegeben. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine
noch niedrigere Streckendämpfung dadurch, daß mehr von dem Licht, das eine Lichtquelle,
beispielsweise LED-Quelle, abstrahlt, dem Netzwerk nutzbar gemacht werden kann.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Ansprüchen
4 und 5 hervor.
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Eine vorteilhafte Anwendung eines erfindungsgemäßen Kopplernetzwerkes
ist im Anspruch 6 angegeben.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Figuren in der folgenden
Beschreibung näher erläutert. Von den Figuren zeigen: Figur 1 eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kopplernetzwerkes, welches der Ausführungsform nach Anspruch
2 entspricht, und Figur 2 ein Datenübertragungssystem für ein Führungs-und Waffeneinsatzsystem
an Bord eines Schiffes, das mit zwei erfindungsgemäßen Kopplernetzwerken aufgebaut
ist, bei denen auch die im Anspruch 3 angegebenen Maßnahmen realisiert sind.
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Das Kopplernetzwerk nach Figur 1 ist für 64 Teilnehmer ausgelegt.
Im dargestellten Beispiel weist jeder Teilnehmer einen Teilnehmersender und einen
Teilnehmerempfänger auf. Die Teilnehmersender sind mit S1 bis S64 und die Teilnehmerempfänger
El bis E64 bezeichnet. Die Teilnehmer sind in Gruppen mit je 16 Teilnehmern zusammengefaßt.
Dementsprechend sind vier Sternkoppler la bis 4a mit je 16 Eingangstoren zum Anschluß
von je 16 zugeordneten Teilnehmersendern und vier Sternkoppler ib bis 4b mit je
16 Ausgangstoren zum Anschluß von 16 zugeordneten Teilnehmerempfängern vorgesehen.
Die Teilnehmersender Si bis S16 sind an die Eingangstore 1 bis 16 des Sternkopplers
la angeschlossen. Entsprechend sind nicht dargestellte Teilnehmersender S17 bis
32 an die Eingangstore 17 bis 32 des Sternkopplers 2a, Teilnehmersender S33 bis
S48 an die Eingangstore 33 bis 48 des Sternkopplers 3a und Teilnehmersender S49
bis S64 an die Eingangstore 49 bis 64 des Sternkopplers 4a angeschlossen. Analoges
gilt für die Teilnehmerempfänger, von denen die Teilnehmersender El bis E16 an die
Ausgangstore 1' bis 16' des Sternkopplers ib usw.
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angeschlossen sind.
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Jeder Sternkoppler la bis 4a weist jeweils 16 Ausgangstore 1' bis
16' und jeder Sternkoppler Ib bis 4b jeweils 16 Eingangstore 1''' bis 16" ' auf.
Der Sternkoppler ia ist mit jedem der Sternkoppler ib bis 4b durch jeweils eine
Parallelverbindung von jeweils vier seiner Ausgangstore mit vier Eingangstoren des
anderen Sternkopplers verbunden. So sind die ersten vier Ausgangstore 1 " bis 4"
des Sternkopplers la mit den Eingangstoren 1 " ' bis 4''' des Sternkopplers Ib verbunden.
Die nächsten vier Ausgangstore 5" bis 8" des Sternkopplers la sind mit den vier
Eingangstoren 1 " ' bis 4"' des Sternkopplers 2b verbunden, usw.. Die Verknüpfung
zwischen den Sternkopplern la bis 4a und
den Sternkopplern Ib bis
4b ergibt sich ohne weiteres aus der Figur 1, in der jede Verbindungslinie zwischen
Ein- und Ausgangstoren zweier Sternkoppler vier Verbindungsleitungen repräsentiert.
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Sollen allgemein N Teilnehmer über m Koppler mit senderseitigen Eingangstoren
und m Koppler mit empfängerseitigen Ausgangstoren versorgt werden, so hat jeder
Koppler N/m Eingangstore bzw. Ausgangstore. Von den N/m Ausgangstoren eines jeden
Sternkopplers mit Eingangstoren zum Anschluß an die Teilnehmersender wird die Leistung
in N/m2 Lichtleitfasern jeweils auf die Eingangstore der m Sternkoppler mit den
Ausganstoren zum Anschluß an die Teilnehmersender geführt. An jeden Teilnehmerempfänger
gelangt dann der N-te Teil der von einem Teilnehmersender in die Einzelfaser eingekoppelten
Leistung.
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Bei Verwendung von LEDs (lichtemittierende Dioden) als Teilnehmersender
läßt sich eine niedrigere Streckendämpfung - Streckendämpfung ist das im logerithmischen
Maß ausgedrückte Verhältnis zwischen der Gesamtleistung der LED und der am Detektor
ankommenden Leistung - erzielen, wenn man Sternkoppler verwendet, die im Vergleich
zur Zahl der Teilnehmersender oder auch -empfänger eine höhere Zahl von Eingangstoren
und auch eine höhere Zahl von Ausgangstoren aufweisen, und wenn jeder einzelne Teilnehmersender,
d.h. seine strahlende Fläche, mit mehreren Eingangstoren eines Sternkopplers verbunden
ist. Hierbei kann sogar eine niedrigere Streckendämpfung gegenüber dem herkömmlichen
Fall eines Systems gleicher Teilnehmerzahl mit einem einzigen Sternkoppler, bei
dem die Anzahl der Eingangs- bzw. Ausgangstore gleich der Zahl der Teilnehmer ist.
Das läßt sich dadurch erreichen, daß man bei der Kopplung zwischen LED und Lichtleitfaser
eine Optik oder einen Taper verwendet.
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Bei Verwendung von Tapern bringt man die mehreren anzuschließenden
Fasern entlang einer bestimmten
Strecke in innigen mechanischen
Kontakt und man erweicht dort die Fasern, während man gleichzeitig auseinanderzieht.
Es -bildet sich eine Zone sich verändernden Querschnitts aus, die sog. Taper-Zone
(siehe beispielsweise Johnson et al, Appl. Phys. Lett. 35 (7), 1; 1979, s. 479).
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Man durchtrennt die Taper-Zone an einer Stelle, wo der gewünschte
Querschnitt vorliegt. Beim Ubergang von der LED auf die mehreren Fasern sollte dieser
Querschnitt nicht kleiner sein als die strahlende Fläche der Quelle.
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Beim Ubergang der mehreren Fasern auf die Detektorfläche sollte der
Durchmesser des Querschnitts einer z.B.
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runden Taper-Zone etwa gleich der Kantenlänge der empfindlichen Fläche
des Detektors sein.
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Der Taper-Winkel muß so ausgebildet werden, daß bei Anregung über
die Taper-Stirnfläche das die Fasern des Bündels verlassende Licht einem geführten
Modenspektrumentspricht.
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Bei der Kopplung einer LED mit einer Einzelfaser über die ebene Faserstirnfläche
werden nur wenige Prozent der gesamten von der LED abgestrahlten Leistung in die
Faser eingekoppelt. Das liegt daran, daß das Produkt aus dem Querschnitt der LED
und dem Quadrat des Sinus des Abstrahlwinkels der LED größer ist als das Produkt
aus der Fläche einer Einzelfaser und dem Quadrat der numerischen Apertur der Faser.
Verkleinert man durch eine Optik oder etwas äquivalentes, beispielsweise den vorstehend
genannten Taper, das Winkel spektrum der LED auf das der numerischen Apertur der
Faser entsprechende Winkelspektrum, so vergrößert sich das Abbild der strahlenden
LED-Fläche gegenüber der strahlenden Fläche der LED.
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Wenn man annimmt, daß von einer LED in eine Faser 100po eingekoppelt
werden, so können von Streu- und Absorptlons-
verlusten abgesehen,
theoretisch 50 Fasern von einer Burrus-LED mit je 100 MW angeregt werden, weil die
Gesamtstrahlung der LED mindestens 5 mW beträgt. Praktisch können etwa 10 Fasern
mit je 100 MW angeregt werden. Wie man sich aus der Abbeisschen Sinusbedingung LED
. sin 60 = 'LED . sin 12 ableiten kann, muß sich der Durchmesser des Tapers eines
verschmolzenen Bereichs des Faserbündels auf LED = 200m aufweiten, wenn er an seiner
engsten Stelle, die der Stirnfläche entspricht, welche der LED zugewandt ist, einen
Durchmesser LED = 50 Um hat, und der Abstrahlwinkel der LED + 60 und die numerische
Apertur der Faser 0,2 betragen. Wenn der Durchmesser der Fasern 140 Mm beträgt,
benötigt man also theoretisch nur zwei Fasern, um die LED-Strahlung gänzlich aufzufangen.
Mit 10 Fasern fängt man erst recht alle LED-Strahlung auf. Man hat also beim Ubergang
zwischen einer LED und einem Faserbündel durch eine entsprechende Taperausbildung
einen um etwa 20 dB niedrigeren Einkoppelverlust als bei der direkten Kopplung zwischen
einer LED und einer Einzelfaser.
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Weiterhin kann man erreichen, daß das Licht von vielen Fasern - bei
den gängigen numerischen Aperturen der Fasern und einer lichtempfindlichen Detektorfläche
von 4 mm2 ist die Anzahl dieser Fasern größer als 50 gleichzeitig auf die lichtempfindliche
Fläche des Detektors abgebildet wird. Für Fasern mit 140 m können schon etwa 50
Fasern direkt mit dem Detektor koppeln, wenn man die Fasern an ihrem einen Ende
zu einem Stab verschmilzt und die Stirnfläche dieses Stabs direkt vor dem Detektor
positioniert.
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Statt die Leistung von mehreren benachbarten Ausgangstoren eines Kopplers
auf einen Detektor zu führen,
kann man auch nicht benachbarte Ausgangstore
eines Kopplers verwenden. Dadurch erhöht man die Gleichmäßigkeit der Leistung an
den Detektoren.
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In der Figur 2 ist die Struktur eines einfach redundanten Datenübertragungssystems
für 64 Teilnehmer dargestellt, das durch zwei erfindungsgemäße Kopplernetzwerke
gebildet ist.
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Die 64 Teilnehmer sind an Bord eines Schiffes räumlich auf mehrere
Abteilungen verteilt. Das Datenübertragungssystem soll bei einer Teil zerstörung
durch einen Treffer mit einer Wirkungsbreite von zwei benachbarten Abteilungen (d.h.
der Großteil der Teilnehmer in diesen Abteilungen fallen aus, einschließlich der
Ubertragungswege/Kabel an der Steuerbord- oder Backbordseite) die Kommunikation
zwischen allen unbeschädigten Teilnehmern weiterhin gewährleisten.
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Dabei soll die Streckendämpfung kleiner als jene sein, die bei einer
Lösung mit nur einem Stoernkoppler bleibt.
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Die Ubertragungswege dürfen einfach redundant ausgelegt werden.
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Die Lösung geht aus der Figur 2 hervor. Das dort dargestellte Datenübertragungssystem
besteht im wesentlichen aus zwei erfindungsgemäßen Koppelnetzwerken.
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Die 64 Teilnehmer sind in zwei Gruppen zu je 32 Teilnehmern T1 bis
T32 und T33 bis T64 zusammengefaßt. Die Teilnehmer T33 bis T64 mögen sich beispielsweise
in einem Mittelabschnitt des Schiffes befinden, während die Teilnehmer T1 bis T32
in einem bugseitigen Abschnitt des Schiffes angeordnet seien.
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Den Teilnehmersendern S der Teilnehmer T1 bis T32 sind der Sternkoppler
SK1 und der Sternkoppler SK2 mit jeweils senderseitigen Eingangstoren 1 bis 64 zugeordnet,
während den Teilnehmersendern S der Teilnehmer T33 bis T64 die Sternkoppler SK3
und SK4 mit jeweils senderseitigen Eingangstoren 1 bis 64 zugeordnet sind. Die beiden
Sternkoppler SKI und SK3 sind dem einen Koppelnetzwerk und die Sternkoppler SK2
und SK4 dem anderen der beiden Kopplernetzwerke zugeordnet. Jeder Sender ist einerseits
durch zwei Lichtleitfasern mit zwei Eingangstoren des ihm zugeordneten Sternkopplers
des einen Kopplernetzwerkes und andererseits durch zwei Lichtleitfasern mit zwei
Eingangstoren des ihm zugeordneten Sternkopplers des anderen Kopplernetzwerkes verbunden.
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Das bedeutet, daß von jedem Sender S vier Fasern ausgehen, was nach
dem früher Dargelegten den Vorteil einer erniedrigten Streckendämpfung mit sich
Jeder der die senderseitigen Eingangstore aufweisenden Sternkoppler SK1, SK3 bzw.
SK2, SK4 der beiden Koppelnetzwerke weist 64 Ausgangstore 1" bis 64" auf. Jedem
der genannten Sternkoppler SK1, SK3, SK2, SK4 ist ein in seiner Nähe angeordneter
Sternkoppler SK1', SK3', SK2' bzw. SK4' mit empfängerseitigen Ausgangstoren zugeordnet.
Jeder dieser Sternkoppler SK1', SK3?, SK2' und SK4' weist 64 Eingangstore 1"' bis
64"' und 64 empfängerseitige Ausgangstore 1' bis 64' auf.
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Die Hälfte der Ausgänge, beispielsweise die Ausgänge 33 " bis 64'
r eines jeden Sternkopplers SK1, SK3 mit senderseitigen Eingangstoren des einen
Kopplernetzwerkes und die Ausgänge 1" bis 32 " eines jeden Sternkopplers SK2, SK4
mit senderseitigen Eingangstoren des anderen Kopplernetzwerkes sind parallel mit
der Hälfte der Engangstore, beispielsweise der Eingangstore 33 " ' bis 64'' ' bzw.
1"' bis 32"' des ihm zugeordneten und in seiner Nähe liegenden Sternkopplers SK1',
SK3', SK2' bzw. SK4' verbunden.
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Die übrigen Ausgangstore 1'' bis 32" eines jeden Sternkopplers mit
senderseitigen Eingangstoren sind in jedem der beiden Kopplernetzwerke durch eine
Busleitung eines Datenbusses DB1 bzw. DB2 parallel mit den übrigen Eingangstoren
1 " ' bis 32"' des fernliegenden anderen Sternkopplers mit empfängerseitigen Ausgangstoren
dieses Kopplernetzwerkes verbunden. So sind die Ausgangstore 1" bis 52 " des Sternkopplers
SK3 durch eine Busleitung des Datenbusses DB1 parallel mit den Eingangstoren 1'''
bis 32 " ' des fernliegenden Sternkopplers SK1 verbunden und die Ausgangstore 1''
bis 32 " des Sternkopplers SK1 sind durch eine zweite Busleitung des Datenbusses
DB1 parallel mit den Eingangstoren 1 " ' bis 32 " ' des Sternkopplers SK3' verbunden.
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Analoges gilt für das andere Koppelnetzwerk. Dort sind die Ausgangstore
33" bis 64" des Sternkopplers SK4 durch eine Busleitung des Datenbusses DB2 parallel
mit den Eingangstoren 33''' bis 64"' des Sternkopplers SK2' verbunden, während die
Ausgangstore 33 " bis 64 " des Sternkopplers SK2 durch eine zweite Busleitung des
Datenbusses DB2 mit den eingangstoren 33"' bis 64''' des Sternkopplers SK4' parallel
verbunden sind. Die Ausgangstore eines jeden Sternkopplers SK1', SK3', SK2', SK4'
sind paarweise mit einem Teilnehmerempfänger E eines zugeordneten Teilnehmers verbunden.
Jeder Teilnehmerempfänger E weist für jedes der beiden Kopplernetzwerke je einen
Detektor D auf, der mit zwei Ausgangstoren des ihm zugeordneten Sternkopplers verbunden
ist.
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Die beiden voneinander fernliegenden Sternkopplerpaare SK1, SK1' und
SK3, SK3' bzw. SK2, SK2' und SK4, SK4' eines jeden Kopplernetzwerkes sind in verschiedenen
Bereichen des Schiffes angeordnet.
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Durch identische Laufzeiten, die durch gleiche Faserlängen erreicht
werden können, wird Synchronität des Datenflusses auf beiden Bussen DB1 und DB2
gewährleistet.
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Der Anschluß zweier Ausgangstore eines Sternkopplers an einen Detektor
D kann über eine Optik oder über einen Taper erfolgen.
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Der Aufbau eines Teilnehmerempfängers E mit zwei Detektoren D hat
den Vorteil, daß noch optoelektrischer Wandlung über einen Komparator die Signale
zusammengefaßt werden können, woraus ein wichtiges Kriterium für Fehlerlokalisierung
im Ubertragungssystem abgeleitet werden kann.
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Durch die Verwendung der Sternkoppler mit den 64 Eingangstoren bzw.
64 Ausgangstoren für jeweils 32 Teilnehmer ist auch erreicht, daß vier Sendefasern
an eine LED eines Teilnehmersenders angeschlossen werden können, was zu einer Reduzierung
der Streckendämpfung um etwa 6 dB gegenüber eines Kopplernetzwerkes mit nur einem
Sternkoppler führt.
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Auch die Reduzierung der Faser- oder Kabel längen beträgt, gemittelt
über alle Teilnehmer, etwa 50 % gegenüber einer Version mit nur einem Koppler.
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Das vorgeschlagene passive Kopplernetzerk läßt sich auf Teilnehmerzahlen
von mehr als 100 erweitern.
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6 Patentansprüche 2 Figuren