DE4304013A1 - Anordnung zur Übertragung von Signalwechselspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung von Signalwechselspannungen, insbesondere Tonsignalen, über eine Leitung.

Die Anordnung soll dazu dienen, lineare, ungestörte Übertra­ gungseigenschaften in einem interessierenden Frequenzbereich zu erzielen. Vor allem soll die Tiefpaßwirkung einer Leitung, insbesondere eines Kabels, die besonders bei Einspeisung aus einer hochohmigen Signalquelle infolge der Leitungskapazi­ tät auftritt, in dem zu übertragenden Frequenzbereich ver­ mieden werden. Bei der Übertragung von Tonsignalen soll im interessierenden hörbaren Bereich kein Abfall des Übertragens­ faktors bei höheren Tonfrequenzen auftreten.

Es ist bereits bekannt, direkt an einer Tonquelle, insbe­ sondere an einem Mikrofon, einen Vorverstärker anzuordnen und diesen Vorverstärker von dem Gerät her, welches die verstärkten tonfrequenten Signalwechselspannungen empfängt, über eine Stromversorgungsleitung zu speisen. Diese Vorver­ stärker der aus der Praxis bekannten Anordnungen haben jedoch in der Regel nur die Aufgabe, den Signalpegel vor Übertragung in das die Signale weiter verstärkende und verarbeitende Gerät anzuheben, damit es genügend über dem unvermeidbaren Störpegel der Leitung liegt.

Zum Stand der Technik gehören weiterhin frequenzabhängige Mittel, die in die Übertragungsleitung eingefügt werden, um den gewünschten Gesamtfrequenzgang zu erzielen, wie beispielsweise die altbekannten Pupinspulen, welche in Leitungsabschnitten eingefügt sind, und den Frequenzgang in dem relativ hohen Bereich entgegen der Wirkung der Leitungskapazität anheben. Diese frequenzabhängigen Mittel haben jedoch den grundsätzlichen Nachteil, daß sie je nach Maßgabe der Leitungseigenschaften und des übertragenen Fre­ quenzbereichs zu dimensionieren sind.

Zu der letztgenannten Gattung gehört eine Einrichtung zur Übertragung eines von einem Meßwertgeber aufgenommenen ana­ logen Wechselsignals (DE-OS 29 15 357, Seite 4 ab Zeile 2), in welcher der Verstärkungsfaktor eines Vorverstärkers mit einem Abgleichsschaltkreis verändert wird. Der Abgleichs­ schaltkreis weist einen Kondensator als kapazitive Rück­ führung auf. Damit sollen Leitungsgeräusche bei der Über­ tragung schwacher vorverstärkter Signale bzw. eine Sättigung im Falle der Übertragung zu starker Signale vermieden werden. Andererseits wird anscheinend mit dieser bekannten Einrich­ tung die unerwünschte Wirkung der Leitungskapazität in Verbin­ dung mit den Widerständen an den Ausgängen der Übertragungs­ strecke und mit den Ableitwiderständen der Leitung nicht (vollständig) beseitigt. Es ist in diesem Zusammenhang be­ kannt (a.a.o. Seite 4, Absatz 2), zwischen dem Meßvorver­ stärker und der Übertragungsleitung einen elektrischen Lade­ generator vorzusehen, der eine dem vorverstärkten Eingangs­ signal proportionale elektrische Ladung erzeugt, wobei der elektrische Meßkreis von einem Ladungsverstärker gebildet ist. Diese Einrichtung ist jedoch insbesondere auch hinsicht­ lich des Stromverbrauchs aufwendig.

Zum Stand der Technik gehört weiterhin ein Kabel zur Signalübertragung mit veränderbaren elektrischen Eigen­ schaften. Damit soll die Kapazität eines handelsüblichen Kabels mit mindestens drei Leitern nachträglich durch äußere Beschaltung auf der Empfangsseite verändert werden. Hierzu wird das am Kabelende empfangende Signal mit einem einstellbaren Verstärkungsfaktor verstärkt oder abgeschwächt in einen gesonderten Leiter des Kabels eingespeist, d. h. in das Kabel zurückgeführt. Nachteilig ist dabei der ge­ sonderte Leiter als Zusatzaufwand. Außerdem ist die Ein­ richtung an die Eigenschaften bzw. die Kapazität des Kabels, die wiederum z. B. längenabhängig ist, einzustellen, und zwar hinsichtlich des Verstärkungsfaktors.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, eine möglichst einfache Einrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der der den Frequenz­ gang störende Einfluß der Leitungskapazität bzw. Kabelka­ pazität möglichst einfach eliminiert wird, und zwar von der Dimensionierung und den Eigenschaften der Leitung bzw. des Kabels weitgehend unabhängig.

Diese Aufgabe wird nach einer ersten Lösungsvariante besonders einfach dadurch gelöst, daß der an einem Leitungsanfang ange­ ordnete Verstärker als Leistungsverstärker ausgebildet ist, der eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweist und der von einem Leitungsende her über eine Stromversorgungsleitung fernge­ speist ist.

Diese einfache Anordnung eignet sich insbesondere für hoch­ ohmige Tonquellen schon bei relativ kurzen Leitungen. Die Tiefpaßwirkung des Kabels bzw. der Leitung wird dabei aus dem interessierenden Übertragungsbereich in einen höheren, nicht zu übertragenden Frequenzbereich verlagert, indem die Einspeisung über die verhältnismäßig niedrige Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers erfolgt. Die Stromversorgung dieses Verstärkers ist einfach, da dieser über eine Stromversorgungs­ leitung aus dem Verstärker oder dergleichen vom Ende der Leitung ferngespeist wird. Somit eignet sich diese Anordnung zur Verwendung mit beliebigen Tonquellen z. B. auch Elektro­ gitarren, die keine Spannungsversorgung enthalten. Eine genaue Anpassung der Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers an die Leitung ist nicht erforderlich, solange die Ausgangsimpedanz niedrig genug ist, um eine Grenzfrequenz außerhalb des gewünschten Übertragungsbereichs zu erzielen.

Bei verhältnismäßig langen Leitungen bzw. in den Fällen, in denen die Ausgangsimpedanz so niedrig sein müßte, daß sie nicht ohne weiteres realisierbar ist, empfiehlt es sich, nach Anspruch 2 je einen Verstärker mit niedriger Ausgangsimpedanz zwischen benachbarte Leitungsabschnitte der Leitung einzufügen.

Nach einer zweiten Lösungsvariante weist die Anordnung zur Übertragung der Wechselspannungssignale gemäß dem kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 3 die Merkmale auf, daß an einem Leitungsanfang ein rückwirkungsfreies Signaltrennglied ange­ ordnet ist und daß an einem Leitungsende eine spannungs­ gesteuerte Kompensationsstromquelle dergestalt angeordnet ist, daß ein Kompensationsstrom in das Leitungsende einge­ speist wird, der die Spannung an dem Leitungsende annähernd konstant hält.

Die Einspeisung des Kompensationsstroms erfolgt hier also in die gleiche Leitung, die auch das Wechselspannungssignal von der Signalquelle zu dem Leitungsende überträgt, an dem eine weitere Verarbeitung des Signals erfolgen soll. Der Kompensa­ tionsstrom wird hier zu einem neuen Zweck erzeugt, nämlich die Spannung an dem Leitungsende der die Signalwechselspan­ nung übertragenden Leitung annähernd konstant zu halten. Damit bleibt auch die Spannung über der restlichen Leitung annähernd zeitunabhängig. Damit wird der störende Einfluß der Kabelkapazität bzw. Leitungskapazität eliminiert, die sich naturgemäß nur bei Spannungsänderungen störend bemerkbar machen kann. Die Leitungslänge hat keinen Einfluß auf die Dimensionierung der spannungsgesteuerten Kompensationsstrom­ quelle. Es können daher beliebige Leitungslängen vorgesehen sein, sofern diese klein gegenüber der Wellenlänge der höch­ sten zu übertragenden Signalfrequenz ist. Anderenfalls können sich noch weitere Kabelgrößen störend bemerkbar machen. Bei Tonsignalen sind Leitungslängen bis über einige hundert Meter möglich.

Schaltungsanordnungen zur Erzeugung eines signalwechsel­ spannungsabhängigen Kompensationsstroms sind an sich bekannt (DE-OS 24 53 385), jedoch zu einem anderen Zweck der Vermei­ dung des Übersprechens bei der Mischung elektrischer Signale, wozu der Kompensationsstrom nicht in eine Signalleitung, sondern in eine Masse- Sammelleitung eingespeist wird.

Das im Unterschied dazu nach Anspruch 3 am Leitungsanfang angeordnete Signaltrennglied hat in Verbindung mit der Kom­ pensationsstromquelle die Aufgabe, eine Signalquelle, insbe­ sondere Tonquelle nicht durch den Kompensationsstrom zu beeinflussen und eine vom Ausgangswiderstand der Tonquelle unabhängige Übertragung zu gewährleisten. Insoweit der Kompen­ sationsstrom durch eine an dem leitungsseitigen Ausgang des Signaltrennglieds zu diesem in Reihe geschalteten Serienwider­ stand oder einem anderen nachgeschalteten Zweipol fließt, dessen Impedanz bei der niedrigsten zu übertragenen Frequenz größer als diejenige der Leitung ist, tritt hier der größte Spannungsabfall durch den Kompensationsstrom auf, so daß die Gesamtspannung, die aus diesem Spannungsabfall und der Signal­ wechselspannung resultiert, über der Leitung annähernd zeitkon­ stant bleibt.

Bevorzugt ist somit nach Anspruch 4 als Signaltrennglied ein Verstärker mit in Reihe nachgeschalteten Zweipol, dessen Impedanz bei der niedrigsten zu übertragenden Frequenz größer als diejenige der Leitung ist, vorgesehen. Als nachgeschal­ teter Zweipol kann insbesondere ein Serienwiderstand dienen, dessen Widerstandswert typisch 5kΩ hat.

Die Kombination der mit der Signalwechselspannung gespeisten Kompensationsstromquelle am Leitungsende mit dem hochohmigen Trennglied am Leitungsanfang mit der Folge, daß das Signal quasi ohne resultierende Spannungsänderung übertragen wird, hat außerdem die vorteilhafte Wirkung, daß Störabstrahlungen weitgehend verringert sind. Die erfindungsgemäße Anordnung ist daher auch vorteilhaft im Hinblick auf die EMV-Richt­ linien bei Rechnerkabeln, mit denen insbesondere hochfre­ quente Takte übertragen werden, oder bei anderen Kabeln, mit denen Videosignale übertragen werden, anwendbar.

Die mit der Signalwechselspannung spannungsgesteuerte Kompen­ sationsstromquelle, die den Empfänger der Signalwechselspan­ nung darstellt, umfaßt in einer vorteilhaften, jedoch nicht ausschließlichen Ausführungsform einen ersten Operationsver­ stärker, dessen einer Eingang an das Leitungsende angeschlos­ sen ist und dessen Spannungsausgang mit einem Eingang eines zweiten Operationsverstärkers verbunden ist, der stromgegen­ gekoppelt ist, und dessen Ausgang mit dem Leitungsende in kompensationsstromleitender Verbindung steht. An einem zwei­ ten Eingang des ersten Operationsverstarkers kann die annähernd konstante Spannung eingestellt werden, die an dem Leitungs­ ende infolge des Kompensationsstroms herrschen soll. Die von dem Kompensationsstrom abgeleitete Ausgangsspannung dieser Kompensationsstromquelle wird dem Spannungsausgang des ersten Operationsverstärkers entnommen. Der Aufbau und die Einstel­ lung dieser spannungsgesteuerten Kompensationsstromquelle, die in Verbindung mit einer hohen Impedanz am Leitungsanfang die konstante Spannung am Eingang der Kompensationsstromquelle erzeugt, sind unkompliziert und praktisch unabhängig von den Eigenschaften der die Signalwechselspannung übertragenen Leitung.

Zur aktiv störungsarmen und originalgetreuen Signalübertra­ gung über relativ lange Leitungen kann es nach Anspruch 6 zweckmäßig sein, daß zwischen Leitungsabschnitten je eine spannungsgesteuerte Kompensationsstromquelle mit in Reihe nachgeschaltetem passiven Zweipol relativ hoher Impedanz eingefügt sind, die als rückwirkungsfreies Signaltrennglied fungieren. Diese Kompensationsstromquellen können von dem Leitungsende her über eine gesonderte Stromversorgungsleitung ferngespeist sein. Die relativ hohe Impedanz des passiven Zweipols entspricht derjenigen, die oben in Verbindung mit Anspruch 4 erläutert wurde. Durch die Aufteilung der Leitung in Leitungsabschnitte können Signalspannungen originalgetreu über große Gesamtleitungslängen übertragen werden, wenn nur die Leitungsabschnitte wesentlich kürzer als die Wellenlängen der höchsten zu übertragenden Frequenz sind.

Am Leitungsanfang der Leitung großer Länge, die in Leitungs­ abschnitte aufgeteilt ist, wird wiederum zweckmäßig ein Leistungsverstärker angeordnet, an dessen Ausgang hier jedoch in Serie ein passiver Zweipol relativ hoher Impedanz ange­ schlossen ist. Der Zweipol relativ hoher Impedanz kann wieder­ um ein Serienwiderstand oder aber eine Induktivität oder Kapazität sein.

Zweckmäßig kann in ein Kabel zum Übertragen von Signalwechsel­ spannungen, insbesondere Tonsignalen, an einem Kabelanfang ein Leistungsverstärker mit nachgeschaltetem passiven Zweipol relativ hoher Impedanz integriert sein. Diese für sich handel­ bare Einheit kann zur Signalspannungsübertragung zwischen einer Quelle und einem Empfänger mit einer spannungsgesteuer­ ten Konstantstromquelle am Eingang eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiele der Varianten der Erfindung werden im folgenden an Hand einer Zeichnung mit fünf Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Variante der Anordnung zur Übertragung von Signalwechselspannungen,

Fig. 2 eine zweite Variante der Anordnung zur Übertragung von Signalwechselspannungen mit Fernspeisung der Stromversorgung,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform der zweiten Variante nach Fig. 2 ohne Fernspeisung der Stromversorgung,

Fig. 4 eine in mehrere Leitungsabschnitte aufgeteilte Leitung mit Anordnungen gemäß Fig. 2 und

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer spannungsgesteuerten Kompensationsstromquelle als Bestandteil der zweiten Variante der Anordnung.

In sämtlichen Figuren sind übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist die erste Variante der Anordnung zur Über­ tragung von Signalwechselspannungen über eine Leitung 1 dargestellt. Die Leitung 1 ist ergänzt mit einer Masseleitung 2. Am Leitungsende ist ein üblicher Verstärker 3 gezeigt, der als Empfänger zur elektrischen Bearbeitung und Verstärkung der empfangenden Signalwechselspannung vorgesehen ist. Der Verstärker 3 ist mit Spannungsquellen 4, 5 verbunden. An einem Leitungsanfang ist zur Verbesserung der Signalübertragung über die mit Leitungs- bzw. Kabelkapazität und Ableitwider­ stand verlustbehafteten Leitung 1 ein Leistungsverstärker 6 angeordnet, dessen Eingang mit der Signalwechselspannung U_ein einer nicht dargestellten Signalquelle gespeist wird. Der Leistungsverstärker wird über eine Stromversorgungsleitung 7, 8 von den Spannungsquellen 4, 5 am Leitungsende her fernge­ speist. Wesentlich ist, daß der Leistungsverstärker 6 eine niedrige Ausgangsimpedanz hat, um die Tiefpasseigenschaften der Leitung erst dann wirksam werden zu lassen, wenn die höchste zu übertragende Frequenz der Signalwechselspannung deutlich überschritten ist.

In der zweiten Variante der Anordnung nach Fig. 2 ist hinge­ gen umgekehrt am Ausgang eines als Trennglied 9 vorgesehenen Verstärkers am Anfang der Leitung 1 zwischen dem Ausgang des Trennglieds, welches durch einen Verstärker realisiert ist, und der Leitung ein Serienwiderstand 10 angeordnet, der relativ hochohmig ist, z. B. typisch 5 kΩ beträgt.

An Stelle des Serienwiderstands kann auch eine Induktivität oder eine Kapazität eingefügt sein, die bei den zu über­ tragenen Signalwechselspannungen entsprechend hochohmige Impedanzen bilden.

Am Ende der Leitung 1 ist als Empfänger eine spannungsge­ steuerte Kompensationsstromquelle 11 angeordnet. Die Kompen­ sationsstromquelle erzeugt einen Kompensationsstrom I_k, der von einem Punkt 12 in die Leitung 1 zurückgespeist wird. Es wird mit der Kompensationsstromquelle 11 ein so großer Kompen­ sationsstrom erzeugt, daß die Spannung U_Ltg annähernd konstant ist. Die Ausgangsspannung U_aus am Ausgang der Kompensations­ stromquelle wird von dem Kompensationsstrom abgeleitet. Ein großer Teil des Kompensationsstroms T_k fließt über die Leitung zu dem Serienwiderstand 10, die Ausgangsseite des Trennglieds 9 und die Masseleitung 2 der Kompensationsstromquelle. Das Trennglied 9 wird auch hier über die Stromversorgungsleitungen 7, 8 von der Empfängerseite der Leitung her gespeist. Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen in Fig. 2 im wesentlichen dadurch, daß das Trennglied 9 hier mit den Spannungsquellen 13, 14 direkt verbunden ist. Der von dem Trennglied abgegebene Strom I_Ltg fließt dem wesentlichen Teil des Kompensationsstrom I_k entgegen.

Fig. 4 zeigt eine Aufteilung einer längeren Leitung in Leitungsabschnitte 15, 16, 17. Zwischen je zwei Leitungs­ abschnitten 15, 16 bzw. 16, 17 ist eine spannungsgesteuerte Kompensationsstromquelle 18, 19 eingefügt, der jeweils ein Serienwiderstand 20, 21 nachgeschaltet ist. Am Leitungsende ist wiederum ebenfalls eine spannungsgesteuerte Kompensations­ stromquelle, welche die weiter oben beschriebene Funktion hat, angeordnet. Am Leitungsanfang ist ein Trennglied 23 vorgesehen, dem ein Serienwiderstand 24 relativ hohen Wider­ standswerts nachgeschaltet ist. Das Trennglied und der Serien­ widerstand sind oben in Verbindung mit Fig. 2 weiter be­ schrieben.

Das Trennglied 23 und die Kompensationsstromquellen 18, 19 werden von dem Leitungsende her über Stromversorgungslei­ tungen 7, 8 an Spannungsquellen 4, 5 ferngespeist.

Das in Fig. 5 dargestellte Beispiel der spannungsgesteuerten Kompensationsstromquelle ist mit einem ersten Operationsver­ stärker 25 und einem zweiten Operationsverstärker 26 aufge­ baut. Ein positiver Eingang des ersten Operationsverstärkers 25 ist an das ausgangsseitige Ende der Leitung 1 - bzw. des Leitungsabschnitts 17 in Fig. 4 - angeschlossen. An dem zweiten negativen Eingang des ersten Operationsverstärkers kann mittels eines Potentiometers 27 die Höhe der annähernd konstanten Spannung U_Ltg eingestellt werden, die durch den Kompensationsstrom I_k in Verbindung mit der Signalwechselspan­ nung an dem Leitungsende entsteht. Hierzu wird von einem Ausgang des ersten Operationsverstärkers ein invertierender Eingang 27 des zweiten Operationsverstärkers 26 gespeist, der mit einem Widerstand 28 stromgegengekoppelt ist. Ein Vorwider­ stand am invertierenden Eingang 27 und ein Ausgangswiderstand, über den der Kompensationsstrom I_k fließt, sind nicht bezeich­ net. Die Ausgangsspannung U_aus wird ebenfalls von dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers 25 abgegriffen. Sie ist proportional dem in dem zweiten Operationsverstärker gebildeten Kompensationsstrom I_k Die Wirkung des Kompensationsstroms I_k zur Konstanthaltung der Leitungsspannung U_Ltg ergibt sich daraus, daß dieser Kompensationsstrom im wesentlichen über einen Serienwiderstand bzw. einen passiven Zweipol am Leitungs­ anfang fließt, der in Fig. 5 nicht dagestellt ist, wo eine entsprechend hohe Spannung abfällt, die sich zu der Ausgangs­ spannung U_Uv des Trennglieds z. B. 9 in Fig. 2 addiert.

Claims (7)

1. Anordnung zur Übertragung von Signalwechselspannungen, insbesondere Tonsignalen, über eine Leitung, mit mindestens einen Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß der an einem Leitungsanfang angeordnete Verstärker als Leistungsverstärker (6) ausgebildet ist, der eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweist und der von einem Leitungsende her über eine Stromversorgungsleitung (7, 8) ferngespeist ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Leitungsabschnitten je ein Verstärker mit niedriger Ausgangsimpedanz eingefügt ist.

3. Anordnung zur Übertragung von Signalwechselspannungen, insbesondere Tonsignalen, über eine Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Leitungsanfang ein rückwirkungsfreies Signaltrennglied (9) angeordnet ist und daß an einem Leitungsende eine spannungsgesteuerte Kompensationsstrom­ quelle (11) dergestalt angeordnet ist, daß ein Kompensa­ tionsstrom (I) in das Leitungsende eingespeist wird, der die Spannung an dem Leitungsende annähernd konstant hält, und daß aus der Kompensationsstromquelle (11) die über­ tragene Signalwechselspannung gewonnen wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Signaltrennglied (9) ein Verstärker mit in Reihe nachgeschaltetem Zweipol (10), dessen Impedanz bei der niedrigsten zu übertragenden Frequenz größer als die­ jenigen der Leitung ist, dient.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsgesteuerte Kompensationsstromquelle einen ersten Operationsverstärker (25) umfaßt, dessen einer Eingang (+) an das Leitungsende (1) angeschlossen ist und dessen Spannungsausgang (29) mit einem Eingang (-) eines zweiten Operationsverstärkers (26) verbunden ist, der stromgegengekoppelt ist und dessen Ausgang (27) mit dem Leitungsende in kompensationsstromleitender Verbindung steht.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Leitungsabschnitten (15, 16, 17) je eine spannungsgesteuerte Kompensationsstromquelle (18, 19) mit in Reihe nachgeschaltetem Zweipol (20, 21) relativ hoher Impedanz eingefügt sind, die als rückwirkungsfreies Signaltrennglied fungieren.

7. Kabel zur Übertragung von Signalwechselspannungen, insbesondere Tonsignalen, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Kabelanfang ein Leistungsverstärker (9) mit nachgeschaltetem passivem Zweipol (Serienwiderstand 10) relativ hoher Impedanz integriert sind.