DE3690413C2

DE3690413C2 - Zwischenverstärker für die Verwendung in Zwei-Drahtverbindungen eines Wählfernsprechnetzes und Verfahren zum Regeln der Verstärkung des genannten Verstärkers

Info

Publication number: DE3690413C2
Application number: DE3690413A
Authority: DE
Inventors: Seppo Vesterinen
Original assignee: OUTEL Oy
Current assignee: OUTEL Oy
Priority date: 1985-08-06
Filing date: 1986-08-04
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2006-08-05
Also published as: FR2586149B1; JPS63500417A; ATA904586A; FR2586149A1; SE8800381D0; FI853013L; CH673918A5; DK160587D0; SE456061B; FI853013A0; SE8800381L; FI73341B; US4831651A; GB8802457D0; GB2199217B; DK166896B1; DK160587A; DE3690413T; NL8620307A; WO1987000995A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für das Regeln eines in einer Zwei-Drahtverbindung eines Wählfernsprechnetzes verwendeten Zwischenverstärkers. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen in solchen Verbindungen verwendeten Zwischenverstärker, dessen Verstärkungsrichtung aufgrund der Signalstärke geregelt wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt das Messen der Amplituden von aus verschiedenen Übertragungsrichtungen kommenden Signalen, das Vergleichen der gemessenen Amplituden von aus den verschiedenen Übertragungsrichtungen kommenden Signalen und Regeln der Verstärkung von regelbaren Verstärkern aufgrund der Differenzwerte der Amplituden durch Anlegen einer Regelspannung an die regelbaren Verstärker für die beiden Übertragungsrichtungen einer inneren Vier-Drahtverbindung des Zwischenverstärkers getrennt vorgesehen sind.

Neben den für die beiden Richtungen der Signalübertragung getrennt vorgesehenen regelbaren Verstärkern umfaßt der Zwischenverstärker gemäß der Erfindung auch Mittel zum Regeln der regelbaren Verstärker aufgrund der Pegeldifferenz der aus verschiedenen Übertragungsrichtungen kommenden Signale, welche Regelung über Gegenphasenadapter erfolgt.

Mit dem Verstärker gemäß der Erfindung ist es möglich, zwei Fernsprechverbindungen eines Wählfernsprechnetzes, z. B. in einer Rufübertragungseinrichtung, in Serie zu verbinden, so daß die Dämpfung in den Grenzen der strukturellen Anforderungen des Fernsprechnetzes gehalten wird und die Sprachverständlichkeit gut bleibt.

Konventionelle Zwei-Draht-Zwischenverstärker können nicht in Zwei-Drahtverbindungen eines Wählfernsprechnetzes verwendet werden, da der Betrieb von konventionellen Verstärkern auf genau bekannten Leitungsimpedanzen (feste Verbindungen des Fernsprechnetzes) beruht und in jedem besonderen Fall eine getrennte Abstimmung erforderlich ist.

Eine Änderung der Leitungsimpedanz eines Wählfernsprechnetzes beeinflußt die Qualität der internen Vier-Drahtverbindung des Zwischenverstärkers (die Vierdrahtverbindung wird durch Leitungshybride oder Gabelleitungen bewirkt, die auf eine bestimmte Impedanz, z. B. 600 Ohm, abgestimmt sind), und die Kopplung beginnt zu schwingen, sobald die Gesamtverstärkung des zuzuführenden Signals und eines als Rückkopplung aus einer Gegenrichtung kommenden Signals den Wert eins übersteigt.

Zur Vermeidung eines Selbstschwingens muß ein Zweidraht- Zwischenverstärker fähig sein, die Summenverstärkung von in entgegengesetzten Richtungen laufenden Signalen durch eine Art von automatischen Regelkreis auf einen Wert unter eins zu halten.

Für variable Leitungsimpedanzen vorgesehene Zwei-Draht- Zwischenverstärker sind typischerweise für den Halbduplexbetrieb ausgelegt, d. h. sie übertragen und verstärken ein Signal nur in einer Richtung zu einer Zeit.

Dadurch wird eine von einer möglichen Fehlanpassung einer Leitungshybride verursachte Schwingung vermieden (keine von der Schwingung bewirkte Rückkopplung), weiter kann die in einer Fernsprechverbindung auftretende Dämpfung alternativ in beiden Richtungen der Signalübertragung voll kompensiert werden.

Bei dieser Art Verstärker kann die Übertragungsrichtung des Signals durch einen Umkehrschalter gesteuert werden, der auf Sprachfrequenzsignale aus verschiedenen Richtungen anspricht, wobei vorausgesetzt wird, daß die Information alternativ von einer Richtung zur anderen übertragen wird.

Bei der Gesprächsübertragung funktioniert eine Halbduplexverbindung nur unter höchst vorteilhaften Bedingungen und wenn beide Sprecher das Prinzip des alternativen Sprechens beachten. Typischerweise auftretende Unterbrechungen der Information bewirken störende unerwünschte Signale. Zudem beeinflussen externes Geräusch oder verschiedene Dämpfungen der Leitungen die Richtungssteuerung.

Dadurch ist es mit einer auf dem Schaltprinzip beruhenden Richtungssteuerung des Verstärkers nicht möglich, befriedigende Sprachübertragungseigenschaften der Einrichtung zu erzielen.

Zur Verbesserung der Sprachübertragungseigenschaften von nach dem Halbduplexprinzip arbeitenden Zwei-Drahtzwischenverstärkern wurde bei einer Lautsprecherfernsprechanwendung (U. S. Patent 4 507 524) eine sprachgesteuerte Richtungssteuerung mit variabler Verstärkung vorgeschlagen, wobei versucht wird, die Geräusche und die auftretenden Unterbrechungen der Information, welche eine Umkehr der Richtung bewirken könnten, durch eine auf einer Zeitkonstante beruhenden "weichen" Verstärkungsumkehr zu eliminieren. Dabei wird die Verstärkung eines in der vorherigen Richtung laufenden Signals verringert und die Verstärkung eines nachfolgenden Signals vergrößert (die Gesamtverstärkung ist als Funktion der Regelung innerhalb des Regelbereichs unter eins). Nach der Zeitkonstante bleibt die Richtung der Verstärkung im umgekehrten Halbduplexzustand, bis ein aus der entgegengesetzten Richtung kommendes Signal den Schaltpegel der Umkehr eines Pegelvergleicherkreises übersteigt.

Diese Art Lautsprecherfernsprechverstärker kann wegen ihrer Richtungssteuerkreise als nach dem Schaltprinzip arbeitend angesehen werden, auch wenn linear regelbare Verstärker vorgesehen sind.

Die Sprachübertragungseigenschaften dieser bekannten Lösung sind jedoch nur leicht verbessert und höchstens als leidlich zu beurteilen, da die Richtung der Verstärkung starr ist.

Der begrenzte Frequenzbereich eines Fernsprechnetzes (300 bis 3400 Hz) schließt Lösungen aus, die auf zwei Trägerwellen für die Übertragung von Sprachinformation beruhen.

Eine entscheidende Verbesserung der Sprachübertragungseigenschaften gegenüber den oben genannten Nachteilen wird durch die erfindungsgemäße Richtungssteuerung der Verstärkung eines Zwei-Drahtzwischenverstärkers erzielt.

Dies wird gemäß dem Verfahren nach der Erfindung durch eine kontinuierliche stufenlose Einstellung der Verstärkung innerhalb ihres linearen Bereichs mittels einer kontinuierlich einstellbaren Spannung erzielt. Der Zwischenverstärker gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Regelmittel

- je einen für die beiden Übertragungsrichtungen getrennt vorgesehenen Pegelmeßkreis,
-einen mit den Ausgängen der Pegelmeßkreise verbundenen gemeinsamen Differenzverstärker, und
- einen mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbundenen PI-Regler umfassen, dessen Ausgang mit den Regeladaptern verbunden ist.

Die Grundidee der Erfindung ist die, daß der Zwischenverstärker solche Steuermitttel hat, daß kein vorbestimmter Amplitudenwert überschritten werden muß, um die Umkehrung der Verstärkung zu bewirken, daß aber die Richtungssteuerspannung innerhalb ihres Bereichs aufgrund des Differenzwerts der Amplituden von aus verschiedenen Richtungen kommenden Signalen kontinuierlich eingestellt wird.

Die Erfindung ist vor allem dadurch vorteilhaft, daß während der Übertragung von Sprachinformation weitere Verbindungen für die Zwei-Drahtverbindungen eines Wählfernsprechnetzes vorgesehen werden können, ohne die Hörbarkeit oder Verständlichkeit zu beeinträchtigen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Zwischenverstärkers nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Verstärkungskurve des Zwischenverstärkers als Funktion einer Richtungssteuerspannung, und

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines in einem Richtungssteuerkreis verwendeten PI-Reglers.

In Fig. 1 ist der Zwischenverstärker zwischen zwei Zwei- Drahtfernsprechleitungen 1 und 2 geschaltet. Im Verstärker ist durch Leitungshybriden (Gabelleitungen) 11 und 21 eine interne Vier-Drahtverbindung gebildet, so daß aus verschiedenen Richtungen kommende Signale für die separate Verstärkung voneinander getrennt werden können. Die beiden Übertragungsrichtungen der internen Vier-Drahtverbindung sind mit spannungsgeregelten Verstärkern 12 und 22 versehen. Der Eingang des regelbaren Verstärkers 12 ist mit der Leitungshybride 11 und der Ausgang des Verstärkers 12 ist über einen Pegelbegrenzer- und Breitbandfilterkreis 14 mit der Leitungshybride 21 verbunden. Der Eingang des regelbaren Verstärkers 22 ist mit der Leitungshybride 21 und sein Ausgang über einen weiteren Pegelbegrenzer- und Breitbandfilterkreis 24 mit der Leitungshybride 11 verbunden.

Die regelbaren Verstärker 12 und 22 sind zur Kompensation der in Fernsprechverbindungen auftretenden Dämpfung vorgesehen. Die Pegelbegrenzer- und Breitbandfilterkreise 14 und 24 beschränken den Pegel und die Bandbreite von auf die Leitungen 1 und 2 kommenden Signalen auf Werte innerhalb der Grenzen der strukturellen Anforderungen des Fernsprechnetzes (z. B. Odbm und 300 bis 3400 Hz).

Der Eingang des regelbaren Verstärkers 12 ist mit einem strichliert dargestellten Pegelmeßkreis A und der Eingang des regelbaren Verstärkers 22 mit dem ebenfalls strichliert dargestellten Pegelmeßkreis B verbunden. Der Eingang des Pegelmeßkreises A ist mit einem spannungsgeregelten Meßverstärker 15 versehen, dessen Ausgang mit einem Pegelanzeigekreis 16 verbunden ist. Der Ausgang des Pegelanzeigekreises 16 ist mit dem Eingang eines I-Reglers 17 verbunden. Der Ausgang des I-Reglers 17 regelt den Meßverstärker 15. Die Verbindungen des Pegelmeßkreises B entsprechen denen des Pegelmeßkreises A und der Meßverstärker, der Pegelanzeigekreis und der I-Regler des Pegelmeßkreises B sind mit den Bezugszahlen 25, 26 bzw. 27 bezeichnet.

Die Ausgänge der Pegelanzeigekreise 16 und 26 bilden die Ausgänge der Pegelmeßkreise und sind mit ein und demselben Differenzverstärker 18 verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist mit einem PI-Regler 19 verbunden, wobei die am Ausgang des PI-Reglers auftretende Regelspannung die regelbaren Verstärker 12 und 22 über Gegenphasenregeladapter 13 und 23 regelt. Die Regeladapter bewirken die gewünschte Verstärkungskurve der regelbaren Verstärker 12 und 22 als eine Funktion der Regelspannung.

Wenn die Verstärkung der regelbaren Verstärker fest und größer als 1 wäre, würde die Verbindung als Oszillator wirken infolge der nicht idealen Qualität der Leitungshybriden mit schwankenden Leitungsimpedanzen, welche für Zwei-Drahtverbindungen eines Wählfernsprechnetzes charakteristisch sind.

Zur Verhinderung einer Schwingung wird die Verstärkungskurve nach Fig. 2 verwendet. Die die Verstärkung darstellende vertikale Achse ist logarithmisch, und die horizontale Achse, welche die am Ausgang des PI-Reglers 19 auftretende Regelspannung v_c darstellt, ist linear. Die Extremwerte der Regelspannung v_c sind mit -v₁ und +v₁ bezeichnet. Die Kurve C₁ stellt die in einer Richtung bewirkte Verstärkung und die Kurve C₂ die in der Gegenrichtung bewirkte Verstärkung dar. Diese Verstärkungskurve ermöglicht wie bekannt die Durchführung der Rückkopplungsregelung in solcher Weise, daß die Summenverstärkung der Rückkopplung den Wert eins nie übersteigt (die Kopplung ist dadurch nicht selbstschwingend). In der Mittelposition der Regelspannung ist die Verstärkung in beiden Richtungen eins (der Verstärker kompensiert dadurch nur Dämpfungen, die in der Kopplung intern auftreten). Wenn die Regelspannung v_c von ihrer Mittelposition in die eine oder andere Richtung verschoben wird, nimmt die Verstärkung in einer Richtung zu und in der anderen Richtung ab. Durch die verwendete Verstärkungskurve werden Signale aus einer Richtung, die entgegengesetzt ist zur zu verstärkenden Richtung, nicht gänzlich unhörbar mit Ausnahme bei den Extremwerten des Regelbereichs.

Damit der Zwei-Draht-Zwischenverstärker durch die vorstehend beschriebene Verstärkungskurve gute Sprachübertragungseigenschaften erhält, ist es gemäß der Erfindung notwendig, eine lineare Richtungssteuerung zu verwenden, die auf der Basis von Sprachfrequenzsignalen dynamisch arbeitet und fähig ist, sowohl die Differenzen zwischen den Fernsprechverbindungen (die Dämpfung kann in diesen Verbindungen variieren) zu kompensieren als auch den Einfluß von Hintergrundgeräuschen.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise des durch die Pegelmeßkreise A und B, den Differenzverstärker 18 und den PI-Regler 19 gebildeten Richtungssteuerkreises im einzelnen beschrieben. Die Spannungspegel der Signale aus verschiedenen Richtungen werden von den Pegelmeßkreisen A und B erhalten. Durch die Pegelregelung der Messung können die Differenzen zwischen den Fernsprechverbindungen und die Wirkungen der Hintergrundgeräusche auf die Richtungssteuerung kompensiert werden. Fig. 3 zeigt den Differenzverstärker 18 und den PI-Regler 19 von Fig. 1 mehr im einzelnen. (Wie in der Regeltechnik üblich, zeigt Fig. 3 Laplacetransformationen A(s), B(s) und V_c(s) der Zeitfunktionen a(t), b(t) und v_c(t).) Die von den Pegelmeßkreisen A und B erhaltenen Signalpegel A(s) und B(s) werden dem Differenzverstärker 18 zugeführt, dessen Verstärkungskoeffizient mit K₁ bezeichnet ist. Vom Differenzverstärker werden gewichtete lineare Richtungsdaten erhalten, welche ankommende Signale betreffen, d. h. Daten, welche anzeigen, aus welcher Richtung ein höherer Signalpegel erhalten wird. Die gewichteten Richtungsdaten gelangen zum PI-Regler 19, welcher als echter Richtungsregler für die regelbaren Verstärker 12 und 22 wirkt und dessen Ausgangsspannung v_c(t) der Regelspannung der Verstärkungskurve entspricht. Der PI-Regler 19 hat einen geschlossenen Regelkreis, der durch die von seinem Ausgang erhaltene Rückkopplung erhalten wird, wobei die vom Differenzverstärker gelieferten gewichteten Richtungsdaten als Setzwert dienen. Der Verstärkungskoeffizient der Rückkopplung ist mit K₃, der P-Term des Reglers mit K₂ und der I-Term des Reglers mit T_i bezeichnet. Diese Anordnung führt dazu, daß die Ausgangsspannung des Reglers, d. h. die Regelspannung v_c den Änderungen der Richtungsdaten in Übereinstimmung mit einer sich dynamisch verhaltenden Übertragungsfunktion folgt, wie sie für einen PI-Regler typisch ist. Dadurch wird die Richtungssteuerspannung auf die zu verstärkende Richtung entsprechend den Richtungsdaten mit geeigneter Geschwindigkeit eingestellt (der I-Term beruhigt am Ausgang des Reglers auftretende Schwankungen).

Der Ausgang des Regelkreises versucht die Mittelstellung der Richtungssteuerung zu erreichen, wenn die Richtungsdaten vom Differenzverstärker den Wert Null annehmen. Dies ist der Fall, wenn kein Signal auf den Leitungen 1 und 2 vorhanden ist oder wenn die Pegel der Signale aus verschiedenen Richtungen gleich sind. In ähnlicher Weise hat wegen der automatischen Pegeleinstellung der Regelspannung eine Abweichung in den Richtungsdaten in Verbindung mit Signalen von längerer Dauer die Tendenz abzunehmen. Dadurch kann die Ausgangsspannung des Reglers (die Regelspannung v_c) sich nicht auf ihren anderen Extremwert verriegeln.

Ein wie vorstehend beschrieben wirkender Regelkreis realisiert die Verstärkungsregelung des Zwischenverstärkers in solcher Weise, daß der Verstärker zwischen seinem Vollduplex- und Halbduplexzustand dynamisch arbeitet. Der Regelkreis ermöglicht eine weiche aber genügend rasche Regelung der Verstärkungsrichtung in Abhängigkeit von den ankommenden Sprachsignalen. Das menschliche Ohr ist fähig, kleine Pegeländerungen, die im Umkehrstadium zu Beginn von Worten auftreten, zu kompensieren (die kleinste vom Ohr wahrnehmbare Pegeländerung ist 3 dB).

Zusammengefaßt gesagt, arbeitet die Kopplung gemäß dem oben beschriebenen Blockschaltbild in gleicher Weise wie ein Zwei-Draht-Zwischenverstärker für feste Leitungen eines Wählfernsprechnetzes, jedoch mit dem Unterschied, daß die genannte Kopplung innerhalb eines weiten Impedanzbereichs ohne jede Abstimmung verwendet werden kann, d. h. die Kopplung ist nicht kritisch gegenüber einer Fehlanpassung der Leitungshybriden.

Die Erfindung ist nicht auf das anhand der beiliegenden Zeichnungen beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann das Prinzip der Verstärkungsregelung gemäß der Erfindung auch in Lautsprechertelephonen verwendet werden. Dabei ist eine der Leitungshybriden oder Leitungsgabeln durch eine Kombination von Lautsprecher und Mikrophon ersetzt.

Claims

1. Verfahren zur Verstärkungsregelung eines in Zwei-Drahtverbindungen eines Wählfernsprechnetzes verwendeten Zwischenverstärkers, welcher genannte Zwischenverstärker regelbare Verstärker (12, 22) umfaßt, die für beide Richtungen der Signalübertragung einer internen Vier-Drahtverbindung vorgesehen sind, welches Verfahren umfaßt:

- messen der Amplituden von Signalen aus verschiedenen Übertragungsrichtungen,
- vergleichen (18) der gemessenen Amplituden von aus verschiedenen Übertragungsrichtungen kommenden Signalen miteinander, und
- regeln der Verstärkung der regelbaren Verstärker (12, 22) aufgrund des Differenzwerts von Amplituden durch Anlegen einer Regelspannung (v_c) über Gegenphasenregeladapter (13, 23) an die regelbaren Verstärker (12, 22),

dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung kontinuierlich und stufenlos durch die Regelspannung (v_c) geregelt wird, welche Spannung in ihrem linearen Bereich (-v₁ . . . +v₁) kontinuierlich einstellbar ist.

2. Zwischenverstärker für die Verwendung in Zwei-Drahtverbindungen eines Wählfernsprechnetzes, wobei die Richtung der Verstärkung des Verstärkers aufgrund der Signalstärke regelbar ist, welcher Zwischenverstärker umfaßt:

- regelbare Verstärker (12, 22) für die beiden Signalübertragungsrichtungen einer internen Vier-Drahtverbindung, und
- Mittel zum Regeln der Verstärkung der regelbaren Verstärker (12, 22) aufgrund der Pegeldifferenz von aus verschiedenen Übertragungsrichtungen kommenden Signalen, wobei das Regeln über Gegenphasenregeladapter (13, 23) bewirkt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Regelmittel umfassen:

- einen getrennt für jede der beiden Übertragungsrichtungen vorgesehenen Pegelmeßkreis (A, B),
- einen mit den Ausgängen der Pegelmeßkreise (A, B) verbundenen gemeinsamen Differenzverstärker (18), und
- einen mit dem Ausgang des Differenzverstärkers (18) verbundenen PI-Regler (19), dessen Ausgang mit den Regeladaptern (13, 23) verbunden ist.

3. Zwischenverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pegelkreis einen regelbaren Meßverstärker (15, 25), einen mit dem Ausgang des Meßverstärkers verbundenen Pegelanzeigekreis (16, 26) und einen mit dem Ausgang des Pegelanzeigekreises verbundenen I-Regler (17, 27) zum Regeln der Verstärkung des Meßverstärkers (15, 25) umfaßt.

4. Zwischenverstärker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der PI-Regler (19) eine Rückkopplungsschleife hat.