-
Bandsperre hoher Dämpfung
-
Bandsperre hoher Dämpfung Anwendungsgebiet und Zweck Die Erfindung
bezieht sich auf eine Bandsperre hoher Dämpfung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Solche Bandsperren werden bei Signalübertragungen, z.B. be i bei Fernsprechübertragungen
benutzt, um den Fluss gewisser Hilfssignale, z.B. Taximpulssignale, in eine bestimmte
Richtung zu verhindern. Die von einer Fernsprechzentrale ausgesandte Taximpulssignale
sollen ja in der Regel nur den Anrufer und nicht den Angerufenen erreichen. Ausserdem
sind Signale, die im Frequenzband des Hilfssignals liegen und die in gleicher Richtung
wie das Hauptsignal übertragen werden, zu unterdrücken, da sie für das Hilfssignal
als Störer wirken.
-
Stand der Technik Es ist bekannt zu diesem Zweck passive Bandsperrfilter
in bekannter T- oder Tr-Anordnung einzusetzen, die mindestens einen Parallel- oder
Reihenresonanzkreis enthalten, der auf die Trägerfrequenz TO des Hilfssignals abgestimmt
ist.
-
Aufgabe und Lösung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Bandsperre hoher Dämpfung zu realisieren, die folgende Eigenschaften besitzt: -
Eine Dämpfung des Hilfssignals, selbst bei variabler und nichtresistiver Belastung
des Uebertragungsweges, grösser als 40 dB im Frequenzbereich des zu übertragenden
Hauptsignals.
-
- Eine geringe vernachlässigbare Dämpfung des Hauptsignals bei einer
gleichzeitig relativ grossen Bandbreite desselben (300 Hz bis 3400 Hz).
-
- Eine sehr gute Impedanz-Transparenz im Frequenzbereich 300 Hz bis
nahe f.
-
To - Keine grosse Anforderungen an die Genauigkeit der Trägerfrequenz
des Hilfssignals und an die Genauigkeit der Abstimmfre-
quenz der
Bandsperre.
-
- Ausschliessliche Verwendung von einfachen passiven Filtern mit Spulen
niedriger Güte, d.h. mit Z'Q44.
-
- Möglicher Aufbau mit bekannten und geläufigen elektronischen Schaltungen.
-
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
-
Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild der Einspeisung eines Hilfssignals
in einen Uebertragungsweg mit gleichzeitiger Sperrung einer Uebertragungsrichtung,
Fig. 2 eine bekannte Einspeisung eines Hilfssignals mit Verwendung eines passiven
Bandsperrfi lters, Fig. 3 ein vereinfachtes, prinzipielles Blockschaltbild einer
Bandsperre hoher Dämpfung und Fig. 4 ein ausführliches Schaltbild einer Bandsperre
hoher Dämpfung.
-
Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche
Teile.
-
Beschreibung In der Fig. 1 ist eine Zentrale A, und damit auch der
Angerufene in einer Fernsprechverbindung, mit Hilfe eines zweipoligen Uebertragungsweges
über eine Bandsperre 1 mit dem Anrufer B verbunden.
-
Der Ausgang eines Taximpulsgebers 2 der Zentrale A ist auf den Moduliereingang
eines Generators 3 geschaltet, dessen Ausgang seinerseits ein moduliertes Hilfssignal
in den Uebertragungsweg einspeist und zwar im Einspeisepunkt M am Eingang der Bandsperre
1. Dieser Eingang befindet sich auf der Anruferseite der Bandsperre 1. In den nachfolgenden
Figuren wird der Taximpulsgeber 2
aus Gründen der zeichnerischen
Einfachheit nicht mehr dargestellt.
-
Die Bandsperre 1 besteht z. B. aus einem passiven Filter in s-Anordnung
gemäs der Figur 2, dessen Längszweig aus einem Parallel-Resonanzkreis 4 gebildet
ist, der aus einer Spule L1 und einem ersten Kondensator C1 besteht, und dessen
beide Querzweige aus je einer Impedanz Z1 bzw. Z2 gebildet ist. Die beiden Impedanzen
Z1 und Z2 sind die Leitungseingangs-Impedanzen des Uebertragungsweges und besitzen
im Fall einer Fernsprechübertragung je einen Wert von annähernd 600 Ohm. Die Einspeisung
des Hilfssignals erfolgt über einen zweiten Kondensator C2, der mit dem Generator
3 in Reihe geschaltet ist und die Funktion einer ersten Einspeiseschaltung 5 ausübt.
Die Reihenschaltung 3; C2 liegt parallel zum Widerstand R2 der Anruferseite.
-
Die Bandsperre hoher Dämpfung der Figur 3 entspricht annähernd der
Figur 2, nur dass der Generator 3 hier noch zusätzlich über die Kaskadenschaltung
eines Amplituden/Phasen-Einstellgliedes 6 und einer zweiten Einspeiseschaltung 7
mit einem weiteren Einspeisepunkt N am Ausgang des Parallel-Resonanzkreises 4 verbunden
ist. Dieser Ausgang befindet sich auf der Seite der Zentrale der Bandsperre 1. Die
zweite Einspeiseschaltung 7 besteht z.B. aus einem dritten Kondensator C3. Der Generator
3 speist das Amplituden/ Phasen-Einstellglied 6 an seinem ersten Eingang 8, während
ein zweiter Eingang 9 mit dem weiteren Einspeisepunkt N und fakultativ ein dritter
Eingang 10 mit dem Einspeisepunkt M verbunden ist.
-
Die Figur 4 entspricht annähernd der Figur 3 mit folgenden Unterschieden:
- Die Spule L1 ist die erste Spule eines Dreispulen-Transformators 11, dessen beide
andere Spulen L2 und L3 in je einem Draht des zweipoligen Uebertragungsweges in
Reihe zwischengeschaltet sind. Der Parallel-Resonanzkreis 4 ist somit nicht mehr
direkt, sondern induktiv mit dem Uebertragungsweg verbunden. Der Dreispulen-Transformator
11 und der erste Kondensator C1 bilden
ein passives Bandsperrfilter
12, welches mit dem Uebertragungsweg in Kaskade geschaltet ist. Der Ausgang der
zweiten Einspeiseschaltung 7 ist hier nicht mehr direkt mit dem weiteren Einspeisepunkt
N, sondern mit einem Pol N' des Parallel-Resonanzkreises L1; C1 verbunden, während
dessen anderer Pol an Masse liegt.
-
- Der Generator 3 ist ein hochfrequenter Rechteckgenerator und sein
Ausgang wird nicht direkt, sondern über einen Teil des Amplituden/Phasen-Einstellgliedes
6 und einen daran anschliessenden Zweispulen-Transformator 13 auf den zweiten Kondensator
C2 geführt. Dabei ist ein Pol der Primärwicklung 13a des Zweispulen-Transformators
13 mit einem zweiten Ausgang 14 des Amplituden/Phasen-Einstellgliedes 6 verbunden,
während dessen erster Ausgang 15 auf den Eingang der zweiten Einspeiseschaltung
7 geführt ist. Der andere Pol der Primärwicklung 13a liegt an Masse, während die
Sekundärwicklung 13b des Zweispulen-Transformators 13 mit dem zweiten Kondensator
C2 in Reihe geschaltet ist. Der Zweispulen-Transformator 13 und der zweite Kondensator
C2 bilden hier zusammen die erste Einspeiseschaltung 5.
-
Im Amplituden/Phasen-Einstellglied 6 wird mit Hilfe eines zweipoligen
Umschalters 16 entweder der zweite oder der dritte Eingang 9 oder 10 auf den zweipoligen
Eingang eines Bandpass-Verstärkers 17 geschaltet, der über einen Synchron-Amplitudendetektor
18 mit dem Eingang einer Steuereinheit 19 verbunden ist. Der erste Ausgang 20 der
Steuereinheit 19 ist auf den Steuereingang eines ersten Verstärkers 21 mit variablem
Verstärkungsfaktor, der zweite Ausgang 22 auf denjenigen eines Phasenschiebers 23,
der dritte Ausgang 24 auf denjenigen eines zweiten Verstärkers 25 mit variablem
Verstärkungsfaktor und der vierte Ausgang 26 auf den Steuereingang des Umschalters
16 geführt. Der Phasenschieber 23 besitzt zwei Ausgänge, und ist einerseits mit
Hilfe des ersten Ausgangs mit dem ersten Verstärker 21 über einen ersten Rechteck/Sinus-Wandler
27 und anderseits mit Hilfe des zweiten Ausgangs mit dem zweiten Verstärker 25 über
einen zweiten Rechteck/Sinus-Wandler 28
in Kaskade geschaltet. Der
Ausgang des Generators 3 ist über eine dieser beiden Kaskadenschaltungen jeweils
mit dem Eingang der zweiten bzw. mit dem Eingang der ersten Einspeiseschaltung 7
bzw. 5 verbunden. Zusätzlich ist der Ausgang des Generators 3 noch über einen Frenquenzteiler
29 auf den Synchronisier-Eingang des Synchron-Amplitudendetektors 18 geschaltet.
Nur wenn der Phasenschieber ein digitaler Phasenschieber ist, ist der Generator
3 ein hochfrequenter Rechteckgenerator. Ist dies nicht der Fall, so kann der Generator
3 ein Tonfrequenzgenerator sein und die beiden Rechteck/Sinus-Wandler 27 und 28
sowie der Frequenzteiler 29 können eingespart werden.
-
Funktionsbeschreibung Nachfolgend wird angenommen, dass es sich bei
der Uebertragung um eine Fernsprechübertragung handelt. In diesem Fall stellt ein
Anrufer B gemäss der Figur 1 über die Bandsperre 1 und die Zentrale A eine Fernsprechverbindung
her mit einem angerufenen Teilnehmer. Die Zentrale ermittelt den Taxwert des Ferngesprächs
und teilt diesen dem Anrufer B mit, indem der Taximpulsgeber 2 in der Zentrale A
Taximpulse erzeugt, die die Trägerfrequenz fTO des Generators 3 auf irgendeine Art
modulieren, und wobei das so modulierte Taximpulssignal anschliessend im Einspeisepunkt
M in den zweipoligen Uebertragungsweg eingespeist wird. Die Bandsperre 1 verhindert,
dass der angerufene Teilnehmer das modulierte Taximpulssignal empfängt. Die Frequenzen
des übertragenen Hauptsignals, d.h. des Sprachbandes, liegen zwischen 300 Hz und
3400 Hz, während die Trägerfrequenz fTO des Taximpulssignals oft gleich 12 kHz oder
16 kHz gewählt wird. In diesem Fall genügt die Verwendung eines der bekannten einfachen
passiven Filter, z.B.
-
eines Filter gemäss der Figur 2, als Bandsperre 1. Die Abgleichfrequenz
f0 des Parallel-Resonanzkreises 4 wird dabei in der Regel gleich der Trägerfrequenz
fTO des Taximpulssignals gewählt.
-
Für gewisse Anwendungen ist es notwendig oder mindestens vorteilhaft,
wenn die Trägerfrequenz fTO möglichst niedrig ist, d.h.
-
in der Nähe von 3400 Hz liegt, damit das Taximpulssignal in der Richtung,
in der es übertragen werden soll, nicht nennenswert stärker gedämpft wird als das
als Hauptsignal übertragene Sprachsignal. Die Trägerfirequenz fT0 wird dann z.B.
gleich 3400 Hz/0,9= 3800 Hz gewählt. In diesem Fall ist die Güte der erwähnten einfachen
passiven Filter nicht mehr genügend um die geforderte Uebertragungsqualität zu gewährleisten,
da das Taximpulssignal dafür in Sperrichtung durch die Bandsperre 1 bei ca. 3400
Hz annähernd um 40 dB gedämpft werden muss, ohne dass dabei das Sprachsignal dämpfungsmässig
nennenswert beeinflusst werden darf.
-
Die erwähnten einfachen passiven Filter würden, um dies zu gewährleisten,
einen Gütefaktor Q>2000 benötigen, was mit den verwendbaren Spulen mit einfachen
Filtern praktisch nicht zu bewerkstelligen ist. Dies um so weniger, als die Belastung
des Filters durch die Belastwiderstände des Uebertragungsweges variabel und nichtresistiv
sein kann. Zusätzliche Schwierigkeiten ergeben sich aus der Tatsache, dass je grösser
der geforderte Gütefaktor Q ist, d.h. je schmalbandiger der gewünschte Sperrbereich
der Bandsperre 1 ist, je stabiler und je genauer übereinstimmend müssen die Trägerfrequenz
fT0 des Taximpulssignals und die Abgleichfrequenz f0 des Parallel-Resonanzkreises
4 sein. Ausserdem ist die Modulierbarkeit des Hi lfssignals bei extrem schmalbandigen
Filtern beschränkt. Dem abzuhelfen ist teuer, da viele Spulen benötigt werden, -und
ergibt eine schlechte Impedanz-Transparenz, vor allem im Frequenzbereich 3000 Hz
bis 3600 Hz. Die relative Aenderung dieser beiden Frequenzen darf höchstens 0,1
bis 0,01 Prozent betragen, damit das Taximpulssignal bei 3400 Hz annähernd um 40
dB gedämpft ist. Unter Berücksichtigung der Alterung der Bauelemente und die nicht
konstanten Umgebungsbedingungen der Schaltung ist ein unterschiedliches Abwandern
beider Frequenzen fTO und f0 kaum zu vermeiden, so dass die zulässige relative Abwanderung
kaum eingehalten werden kann. Um alle diese Nachteile zu vermeiden, wird am besten
eine Bandsperre hoher Dämpfung gemäss eine der Figuren 3 oder 4 verwendet. Diese
Bandsperre besitzt ebenfalls ein passives Bandsperrfilter 12 mit einem Parallel-Resonanzkreis
4. Sein Gütefaktor braucht jedoch nur mehr einen
Wert zwischen
2 und 4 zu besitzen, was leicht zu realisieren ist.
-
Ein Kompensationssignal der Kreisfrequenz wTO=2s: fTo wird dabei zusätzlich
über die zweite Einspeiseschaltung 7 in das Bandsperrfilter 12 (Figur 4) bzw. zentralseitig
des Bandsperrfilters 12 in den Uebertragungsweg eingespeist. Dieses Kompensationssignal
besitzt demnach die gleiche Frequenz fTO wie das primäre Taximpulssignal der Kreisfrequenz
WT0, das über die erste Einspeiseschaltung 5 anruferseitig in den Uebertragungsweg
eingespeist wird. Beide Signale besitzen in der Regel unterschiedliche Amplituden
und Phasen. Diese werden mit Hilfe der Steuereinheit 19 dermassen ermittelt, dass
die resultierende Spannung uN(t) am Ausgang N,N des Bandsperrfilters 12 (Siehe Fig.
4) annähernd gleich Null ist. Es gilt dann die Gleichung: A(t).sin To-t+<P (t)
- A'(t).sin [w t+ c'(t)~ = uN (t)= 0, wobei A'(t) die Amplitude und cp'(t) die Phase
des Spannungsanteils von uN (t) ist, der vom ersten Verstärker 21 herrührt, während
A(t) die Amplitude und # (t) die Phase des Spannungsanteils von u N (t) ist der
vom zweiten Verstärker 25 herrührt.
-
Der Dreispulen-Transformator 11 dient der Gewinnung der Symmetrie
und zusätzlich mit dem Zweispulen-Transformator 13 der galvanischen Trennung zwischen
Uebertragungsweg und Amplituden/Phasen-Einstellglied (6). Die Beschaltung des Uebertragungsweges
mit dem Dreispulen-Transformator 11 und dem ersten Kondensator C1 ist an sich aus
einschlägigen PTT-Vorschriften bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.
-
Die Spannung uN (t) am Ausgang des Bandsperrfilters 12 wird über den
zweiten Eingang 9 dem Amplituden/Phasen-Einstellglied 6 zugeführt. Wegen den Pegelschwankungen
am Eingang des Bandsperrfilters 12, welche z.B. bedingt sind durch Impedanzschwankungen
oder Schaltvorgänge im Uebertragungsweg, ist es von Vorteil aus Stabilitätsgründen
auch die Spannung uM(t) am Eingang des Bandsperrfilters 12 über den dritten Eingang
10 dem Amplituden/Phasen-
Einstellglied 6 zu zuführen. In diesem
Fall werden die beiden Spannungen uM(t) und u N (t) am Eingang und am Ausgang des
Bandsperrfilters 12 zeitlich abwechselnd mit Hilfe des Umschalters 16 dem Bandpass-Verstärker
17 zweipolig zugeführt. Dessen hoher Eingangswiderstand verhindert eine zusätzliche
Belastung des Uebertragungsweges und dessen Bandpassfilter, das eine mittlere Abgleichfrequenz
von f T0 besitzt, eliminiert alle taximpulsfremde Signale, wie z.B. das Sprachsignal.
Der Synchron-Amp litudendetektor 18 detektiert anschliessend mittels einer synchronen
Demodulation die Amplituden von uN(t), die anschliessend in der Steuereinheit 19
numerisch dermassen ausgewertet werden, dass solche Werte der Amplitude A'(t) und
der Phase cp'(t) des Kompensationssignals ermittelt werden, die die resultierende
Spannung uN(t) am Ausgang des Bandsperrfilters 12 annähernd Null machen. Wegen den
durch Schaltvorgänge und Ladungsschwankungen bedingten Nichtstationaritäten auf
dem Uebertragungsweg müssen in jedem Augenblick fortlaufend die Werte der Amplitude
A'(t) und der Phase ' (t) neu ermittelt und angepasst werden.
-
Im Fall eines digitalen Phasenschiebers 23 wird die Trägerfrequenz
T0 des Taximpulssignals von der durch den Generator 3 erzeugten hohen Frequenz von
z.B. 1024.3800 Hz = 3,8912 MHz abgeleitet mit Hilfe des Frequenzteilers 29, der
die hohe Frequenz mittels einer synchronen Frequenzteilung auf fTO = 3800 Hz reduziert.
Das Ausgangssignal des Frequenzteilers 29 dient dazu den Synchron-Amplitudendetektor
18 mit der Trägerfrequenz T0 zu synchronisieren.
-
Je höher die Frequenz des Generators 3 ist, je genauer kann die Phase
c0' (t) des Kompensationssignals anschliessend generiert werden; je grösser ist
dann allerdings auch der Geräteaufwand des Frequenztei lers 29.
-
Wenn der Ausgang des Bandsperrfilters 12 mit Hilfe des Umschalters
16 auf den Bandpass-Verstärker 17 geschaltet ist, wirkt der erste Ausgang 20 der
Steuereinheit 19 auf den Steuereingang des ersten Verstärkers 21 ein und stellt
den Verstärkungsfaktor so ein, dass die Amplitude A?(t) des Kompensationssignals,
am Ausgang des Bandsperrfilters 12 gemessen, den geforderten Wert besitzt. Gleich-
zeitig
wirkt der zweite Ausgang 22 der Steuereinheit 19 auf den Steuereingang des Phasenschiebers
23 ein und stellt die Phase cp'(t) des Kompensationssignals ein. Der Generator 3
speist den Phasenschieber 23 mit der hohen rechteckförmigen Frequenz von 3,8912
MHz, so dass die Phase cn'(t) mit Phasenschritten im Wert von /1024 mit der gewünschten
Genauigkeit eingestellt werden kann.
-
Wenn dagegen der Eingang des Bandsperrfilters 12 mit Hilfe des Umschalters
16 auf den Bandpass-Verstärker 17 geschaltet ist, stellt der dritte Ausgang 24 der
Steuereinheit 19 den Verstärkungsfaktor des zweiten Verstärkers 25 dermassen ein,
dass die Pegelschwankungen der Spannung uM(t) am Eingang des Bandsperrfilters 12
möglichst stark reduziert werden und die Gesamtschaltung stabil bleibt. Die Ausgangssignale
an den beiden Ausgängen des Phasenschiebers 23 sind im Fall eines digitalen Phasenschiebers
rechteckförmig. Sie werden mit Hilfe der Rechteck/Sinus-Wandler 27 und 28 in sinusförmige
Signale der Frequenz fT0 umgewandelt. Die Kaskadenschaltung bestehend aus Phasenschieber
23, zweiten Rechteck/Sinus-Wandler 28 und zweiten Verstärker 25 erzeugt das primäre,
im Einspeisepunkt M einzuspeisende Taximpulssignal. Die Kaskadenschaltung bestehend
aus Phasenschieber 23, ersten Rechteck/Sinus-Wandler 27 und ersten Verstärker 21
generiert das Kompensationssignal, welches an einem anderen Einspeisepunkt als das
primäre Taximpulssignal in den Uebertragungsweg eingekoppelt wird, nämlich im zweiten
Einspeisepunkt N bzw. N'. Wie bereits erwähnt sind die beiden Rechteck/Sinus-Wandler
27 und 28 überflüssig, wenn der Phasenschieber 23 nichtdigital ist, und können dann
weggelassen werden.
-
Zu Beginn stellt die Steuereinheit 19 in einem ersten Schritt z.B.
-
die Amplitude A(t) und die Phase cp'(t) gleichzeitig ein, damit die
Spannung uN(t) schnell möglichst stark gedämpft wird, z.B.
-
auf 10 dB. Später erfolgt dann die Feineinstellung indem abwechselnd
entweder nur die Amplitude A'(t) oder die Phase cp'(t) in aufeinanderfolgenden Schritten
fortlaufend verstellt wird, um die Spannung uN(t) zuerst zu minimieren und dann
auf Null zu reduzieren.
-
Die Dämpfung der gesamten Bandsperre ist grösser als 40 dB im Frequenzbereich
des Hauptsignals, d.h. des Sprachbandes.