DE3942758A1 - Nachbildung einer komplexen impedanz und schnittstelle mit einer solchen nachbildung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nachbildung einer komplexen Impedanz, insbesondere die Nachbildung der Impedanz einer Fernsprechteilnehmerleitung, sowie eine Zweidraht-Vierdraht-Schnittstelle mit einer solchen Nachbildung.

Zweidraht-Vierdraht-Schnittstellen oder auch Gabelschaltungen sind in der Fernsprech- und Übertragungstechnik seit langem bekannt. Gabelschaltungen sind Dreitore mit der Aufgabe, einen Empfänger (z. B. die Hörkapsel eines Fernsprechgeräts) von einem Sender (z. B. die Sprechkapsel eines Fernsprechgeräts) zu entkoppeln und dennoch beide mit einer Zweidrahtleitung zu koppeln. Um dies zu erreichen, ist zusätzlich noch eine Leitungs-Nachbildung erforderlich. Vergl. hierzu z. B. K. Steinbuch, W. Rupprecht, Nachrichtentechnik, Springer-Verlag Berlin u. a. 1973, S. 235-241. Die Deutsche Bundespost fordert derzeit die Nachbildung einer Leitung, deren Impedanz als Reihenschaltung eines Widerstands zu 220 Ohm mit der Parallelschaltung aus einem Widerstand zu 820 Ohm und einer Kapazität zu 115 nF ausgebildet ist. Andere Postverwaltungen geben die gleiche Anordung mit ähnlichen Werten vor.

Gerade bei denjenigen Einrichtungen, die für jeden einzelnen Teilnehmer vorhanden sein müssen, ist eine Aufwands- und Kostenreduzierung dringenst erforderlich. Deshalb werden diese Einrichtungen, zu denen auch die Zweidraht-Vierdraht-Schnittstellen mit den darin enthaltenen Nachbildungen gehören, möglichst als integrierte Schaltungen ausgeführt. Besonders störend sind dabei die Kapazitäten. Eine Mindestforderung ist nun die, daß anstelle eines vorgegebenen Kapazitätswerts ein beliebiger anderer verwendet werden kann und daß trotzdem die geforderte Eigenschaft erreicht wird. Eine Zweidraht-Vierdraht-Schnittstelle hat verschiedene Forderungen gleichzeitig zu erfüllen. Bei vielen bekannten Ausführungen sind deshalb oft mehrere Impedanzen mit kapazitivem Anteil enthalten, die in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander stehen müssen. Die Toleranzen der Bauelemente müssen dann sehr eng gewählt werden, weil oft Abweichungen des Absolutwertes weniger ausmachen als Abweichungen untereinander. Das Ziel ist deshalb, mit möglichst wenig Impedanzen, möglichst nur mit einer Impedanz, auszukommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand realisierbare Nachbildungen und Zweidraht-Vierdraht-Schnittstellen anzugeben.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Nachbildung gemäß der Lehre des Anspruchs 1 und eine Schnittstelle gemäß der Lehre des Anspruchs 6.

Soll der Verstärkungsfaktor eines rückgekoppelten Verstärkers proportional zu der vorgegebenen Teilimpedanz sein, so kann dies dadurch erreicht werden, daß die Teilimpedanz selbst in dessen Rückkopplungszweig gelegt wird. Da der Verstärkungsfaktor weiter durch einen dann ohmschen Widerstand bestimmt wird, kann anstelle der Teilimpedanz selbst auch eine Impedanz mit gleichem Aufbau, aber in allen Bauelementen um denselben reellen Faktor verkleinerten oder vergrößerten Werten verwendet werden (Anspruch 2).

Wird der Verstärker zweistufig aufgebaut und ist in der ersten Stufe die Impedanz im Rückkopplungszweig und die zweite Stufe reell, so kann die zweite Stufe als Summierverstärker aufgebaut sein. An dieser Stelle kann dann ein Signal eingekoppelt werden, ohne daß dessen Frequenzgang beeinflußt und durch eine weitere gleichartige Impedanz ausgeglichen werden mußte. Dennoch kann die Impedanz wie vorgegeben aufgebaut und um einen beliebigen reellen Faktor verkleinert oder vergrößert sein (Anspruch 4).

Die Nachbildung kann durch einen zusätzlichen Inverter und einen weiteren Widerstand symmetrisch gemacht werden (Anspruch 4).

Wenn Gleichtaktsignale vorkommen können oder sollen, muß an beiden Anschlüssen der Nachbildung der Strom gemessen und im Meßergebnis der Gleichtaktstrom eliminiert werden (Anspruch 5).

Die erfindungsgemäße Schnittstelle macht in vorteilhafter Weise von der erfindungsgemäßen Nachbildung Gebrauch.

Die Einspeisung des empfangenen Signals erfolgt dann besonders einfach und, ohne daß der Frequenzgang beeinflußt wird, durch einen zweistufigen Verstärker mit der zweiten Stufe als Summierverstärker (Anspruch 7).

Wird die Nachbildung symmetrisch ausgebildet, so besteht die Möglichkeit, auf der Zweidrahtleitung auf einfache Weise durch Gleichtakt- (Längs-) Signale zusätzliche Information, z. B. Steuersignale vom angeschlossenen Teilnehmer, zu übertragen und durch einen auf erdunsymmetrische Signale ansprechenden Empfänger auszuwerten. Es besteht dabei sogar die Möglichkeit, die Zweidrahtleitung für die erdsymmetrischen Signale (Sprachsignale) anders abzuschließen als für die Gleichtaktsignale (Steuersignale). Die erdsymmetrischen Signale sind durch die Nachbildung abgeschlossen, die Gleichtaktsignale sind durch die Meßwiderstände abgeschlossen, die am Ausgang des Verstärkers und des Inverters gleichspannungsmäßig auf Masse liegen (Anspruch 8).

Ohne die Widerstandsverhältnisse zu ändern, können die Ausgänge des Verstärkers und des Inverters gleichspannungsmäßig auf eine Schwellspannung gelegt werden, wodurch Gleichtaktstörsignale unwirksam werden (Anspruch 9).

Im folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnung weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schnittstelle mit einer darin enthaltenen erfindungsgemäßen Nachbildung.

Fig. 2 zeigt den Aufbau der durch die Nachbildung nachzubildenden Impedanz.

Fig. 3 zeigt einen bevorzugten Anwendungsfall.

Die in Fig. 1 gezeigte Schnittstellenschaltung dient der Verbindung einer unidirektional betriebenen Empfangsleitung E und einer unidirektional betriebenen Sendeleitung S einerseits mit einer bidirektional betriebenen Zweidrahtleitung a, b andererseits.

Die Zweidrahtleitung a, b ist mit einer Nachbildung N abgeschlossen. Das von der Empfangsleitung E kommende Signal wird über einen in der Nachbildung N enthaltenen Summierverstärker, Verstärkerstufe zwei, VS2, in die Nachbildung eingespeist und gelangt so zur Zweidrahtleitung a, b. Zur Sendeleitung S hin weist die Schnittstelle einen Sendeverstärker SV auf, der einerseits die Spannung an der Zweidrahtleitung a, b in Differenzverstärkerschaltung auswertet und andererseits ein der Spannung an der Empfangsleitung E proportionales Signal phasenrichtig hinzuaddiert, um den Anteil der Spannung an der Zweidrahtleitung a, b auszugleichen, der von der Empfangsleitung E kommt. Weiter ist ein Steuersignalempfänger SSE vorhanden, der das Mittenpotential auf der Zweidrahtleitung a, b abgreift und mit einem vorgegebenen Schwellwert in Schmitt-Trigger-Schaltung vergleicht, um so aus einem an der Zweidrahtleitung a, b anliegenden Gleichtaktsignal ein Digitalsignal DS abzuleiten. Prinzipiell könnte anstelle eines Digitalsignals auch ein Analogsignal als Gleichtaktsignal übertragen werden. Voraussetzung dafür wären vernachlässigbare Gleichtaktstörsignale und eine Ausbildung des Steuersignalempfängers SSE in Verstärker- und nicht in Schmitt-Trigger-Schaltung. In jedem Fall ist zu berücksichtigen, daß die Zweidrahtleitung a, b für Gleichtaktsignale nicht wellenwiderstandsrichtig, sondern reell abgeschlossen ist.

Die Schnittstelle ist in der Regel Bestandteil einer Teilnehmeranschlußschaltung. Die übrigen Funktionen sind hier nicht dargestellt.

Die nachzubildende Impedanz ist in Fig. 2 dargestellt. Sie besteht aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstands Rv mit einer komplexen Teilimpedanz Zp, die hier aus der Parallelschaltung eines ohmschen Widerstands Rp und einer Kapazität Cp besteht.

Diese Impedanz wird nun durch die Nachbildung N gemäß Fig. 1 realisiert. Die gezeigte Ausführungsform ist erdsymmetrisch und weist die Möglichkeit auf, das Signal von der Empfangsleitung ohne die Notwendigkeit einer Frequenzgangkompensation einzuspeisen. Eine andere Art der Einspeisung dieses Signals ist die der Stromeinspeisung, beispielsweise zusammen mit dem Fernspeisestrom, direkt in die Zweidrahtleitung a, b. Ein Beispiel einer Stromeinspeisung ist in der DE-OS 34 28 106 gezeigt (1 in Fig. 3).

Die Nachbildung N nach Fig. 1 enthält eine Meßanordnung M, einen zweistufigen Verstärker mit einer Verstärkerstufe eins, VS1, und der bereits erwähnten Verstärkerstufe zwei, VS2, und einen Inverter I.

Die Meßanordnung M enthält zunächst zwei Meßwiderstände R1 und R2, die gleichzeitig die gleichstrommäßigen Abschlußwiderstände der Zweidrahtleitung sind. Falls hierfür ein bestimmter Wert vorgegeben oder sonst von Vorteil ist, kann dieser hier direkt verwendet werden. Andernfalls ist die Bemessung R1 = R2 = Rv/2 vorteilhaft. Da der Verstärkungsfaktor der Meßanordnung M und des nachfolgenden Verstärkers beliebig wählbar ist, können die Meßwiderstände aber beliebig, wegen der Symmetrie aber untereinander gleich, gewählt werden. Sie dürfen aber nicht größer als Rv/2 sein. Da im vorliegenden Fall von überlagerten Gleichtaktströmen ausgegangen wird, wird in einer Brückenschaltung, bestehend aus den Widerständen R3, ..., R6 eine den Gleichtaktanteil nicht enthaltende Spannung abgegriffen.

Der, hier zweistufige, Verstärker verstärkt nun das Ausgangssignal der Meßanordnung M derart, daß sich seine Ausgangsspannung zum Ausgangsstrom wie die komplexe Teilimpedanz verhält. Sein Verstärkungsfaktor muß also gleich einem reellen Vielfachen dieser Teilimpedanz sein. Der Verstärkungsfaktor eines rückgekoppelten Operationsverstärkers ist proportional zu seinem Rückkopplungswiderstand (R8 im Falle VS2) und umgekehrt proportional zu seinem Vorwiderstand (R15 im Falle VS2). Ein Verstärker, in dessen Rückkopplungszweig die vorgegebene Teilimpedanz Zp liegt und dessen Vorwiderstand reell ist, hat deshalb den geforderten Verstärkungsfaktor. Eine gleichartige Impedanz, deren Bauelemente im selben Verhältnis zueinander stehen wie bei der Teilimpedanz Zp, hat dieselbe Wirkung, wenn der Vorwiderstand entsprechend mit verändert wird. Auch eine Verstärkungsstufe mit reellem Verstärkungsfaktor, wie hier die zweite Verstärkerstufe, VS2, ändert am prinzipiellen Verhalten nichts.

Die Zweiteilung des Verstärkers mit einer reell verstärkenden zweiten Stufe hat den Vorteil, daß hier problemlos ein weiteres Signal, hier das Signal von der Empfangsleitung E, hinzusummiert werden kann. Falls dies nicht erforderlich ist, wenn beispielsweise dieses Signal wie oben erwähnt direkt in die Zweidrahtleitung eingespeist wird, genügt ein einstufiger Verstärker.

Ein einstufiger Verstärker kann zwar auch als Summierverstärker verwendet werden. Dann muß aber entweder der Vorwiderstand, mit dem das Signal von der Eingangsleitung hinzusummiert wird, die gleiche komplexe Struktur aufweisen wie der Rückkopplungswiderstand, oder es muß derjenige Vorwiderstand (hier R15), mit dem das Signal der Meßanordnung M hinzuaddiert wird, in einer Weise ausgebildet sein, daß sein komplexer Widerstand umgekehrt proportional zur Teilimpedanz Zp ist.

Durch den Inverter I wird, zusammen mit dem zweiten Meßwiderstand R2, die Schaltung symmetrisch gegenüber Erde. Beides kann weggelassen werden, wenn die Symmetrie nicht gefordert ist.

Das Potential beider Adern der Zweidrahtleitung a, b kann gegenüber Erde angehoben oder abgesenkt werden, indem an den einander entsprechenden Eingängen der zweiten Verstärkerstufe VS2 und des Inverters I jeweils eine Gleichspannung über einen zusätzlichen Vorwiderstand hinzusummiert wird. In Fig. 1 ist dies gestrichelt dargestellt.

Ein bevorzugter Anwendungsfall ist in Fig. 3 dargestellt. Links ist sehr schematisch die Schnittstelle mit der darin enthaltenen Nachbildung und rechts, über die Zweidrahtleitung damit verbunden, ein Fernsprechendgerät dargestellt. Das Fernsprechendgerät ist dabei nur insoweit dargestellt, wie die Erzeugung des Steuersignals, Digitalsignals DS, betroffen ist. Beide Adern a und b der Zweidrahtleitung sind über je eine gesteuerte Stromquelle mit Erde verbunden. Die Steuerung der Stromquelle erfolgt durch das Digitalsignal DS.

Claims (9)

1. Nachbildung einer komplexen Impedanz, die aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstands mit einer komplexen Teilimpedanz besteht, insbesondere Nachbildung der Impedanz einer Fernsprechteilnehmerleitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbildung (N) einen Verstärker (VS1, VS2) enthält, dessen Verstärkungsfaktor gleich einem reellen Vielfachen der komplexen Teilimpedanz (Rp, Cp) ist, daß die von diesem Verstärker zu verstärkende Spannung gleich der Ausgangsspannung einer Meßanordnung (M) ist, die den Strom in einem ohmschen Meßwiderstand (R1, R2) mißt, daß der Meßwiderstand vom Ausgangsstrom des Verstärkers durchflossen wird und daß dieser Strom der durch die Nachbildung fließende Strom ist.

2. Nachbildung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (VS1, VS2) einen rückgekoppelten Operationsverstärker (VS1) enthält, dessen Rückkopplungszweig durch die komplexe Teilimpedanz oder eine dazu gleichartige, in allen Bauelementen um denselben reellen Faktor verkleinerten oder vergrößerten Werten gebildet ist.

3. Nachbildung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (VS1, VS2) zweistufig aufgebaut ist, daß der Verstärkungsfaktor der zweiten Stufe (VS2) reell ist und daß die zweite Stufe als Summierverstärker ausgebildet ist.

4. Nachbildung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Inverter (I) vorhanden ist, der die Ausgangsspannung des Verstärkers (VS1, VS2) invertiert, daß ein Widerstand (R2) vorhanden ist, der gleich groß ist wie der Meßwiderstand (R1), daß dieser Widerstand vom Ausgangsstrom des Inverters durchflossen ist und daß der Ausgangsstrom des Inverters ebenso wie der Ausgangsstrom des Verstärkers der durch die Nachbildung fließende Strom ist.

5. Nachbildung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Ausgangsstrom des Inverters durchflossene Widerstand (R2) ebenfalls als Meßwiderstand verwendet wird und daß die Meßanordnung (M) denjenigen Strom mißt, der beiden Meßwiderständen (R1, R2) gemeinsam ist.

6. Schnittstelle zwischen einer bidirektional betriebenen Zweidrahtleitung (a, b), insbesondere einer Fernsprechteilnehmerleitung, einer unidirektional betriebenen Empfangsleitung (E) und einer unidirektional betriebenen Sendeleitung (S), mit einem ersten Zweig von der Empfangsleitung zur Zweidrahtleitung, mit einem zweiten Zweig von der Zweidrahtleitung zur Sendeleitung, und mit einem dritten Zweig von der Empfangsleitung zur Sendeleitung, und mit einer die Zweitdrahtleitung abschließenden Nachbildung (N) einer komplexen Impedanz, die aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstands (Rv) mit einer komplexen Teilimpedanz (Rp, Cp) besteht, bei der die Nachbildung einen Verstärker (VS1, VS2) enthält, dessen Verstärkungsfaktor gleich einem reellen Vielfachen der komplexen Teilimpedanz ist, daß die von diesem Verstärker zu verstärkende Spannung gleich der Ausgangsspannung einer Meßanordnung (M) ist, die den Strom in einem ohmschen Meßwiderstand (R1, R2) mißt, daß der Meßwiderstand vom Ausgangsstrom des Verstärkers durchflossen wird und daß dieser Strom der durch die Nachbildung fließende Strom ist.

7. Schnittstelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (VS1, VS2) zweistufig aufgebaut ist, daß der Verstärkungsfaktor der zweiten Stufe (VS2) reell ist, daß die zweite Stufe als Summierverstärker ausgebildet ist und daß der erste Zweig der Schnittstelle am Summierverstärker (VS2) in die Nachbildung (N) eingekoppelt wird.

8. Schnittstelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Inverter (I) vorhanden ist, der die Ausgangsspannung des Verstärkers (VS1, VS2) invertiert, daß ein Widerstand (R2) vorhanden ist, der gleich groß ist wie der Meßwiderstand (R1), daß dieser Widerstand vom Ausgangsstrom des Inverters durchflossen ist, daß der Ausgangsstrom des Inverters ebenso wie der Ausgangsstrom des Verstärkers der durch die Nachbildung fließende Strom ist, daß Verstärker und Inverter ein gemeinsames, auf Erde bezogenes Bezugspotential aufweisen und daß ein Empfänger für Gleichtaktsignale (SSE) vorhanden ist, der erdunsymmetrische Signale auf der Zweidrahtleitung (a, b) auszuwerten vermag.

9. Schnittstelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das auf Erde bezogene Bezugspotential von Null verschieden und größer als üblicherweise auftretende Gleichtaktstörsignale ist und daß der Empfänger für Gleichtaktsignale (SSE) digital auf solche Gleichtaktsignale anspricht, die über dem genannten Bezugspotential liegen.