DE4304013C2 - Anordnung zur Übertragung von Signalwechselspannungen, insbesondere Tonsignalen über eine Leitung - 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.

Bekannt ist es hinsichtlich der Stromversorgung von Leitungs­ verstärkern, die in ein koaxiales 60 MHz Kabelsystem einge­ schleift sind, die Verstärker von einem Ende des Kabelsystems her fernzuspeisen (Ericsson Review Nr. 1, 1978, 28-37, insb. Fig. 5). Daraus ist zwar eine zweckmäßige Stromversor­ gungsmöglichkeit bekannt, nicht aber, wie das eingangs erläuterte Ziel der Erfindung ohne komplizierte und aufwendige Leistungsverstärkeranordnungen erreicht werden kann.

Schließlich gehören Transkonduktoren oder Stromverstärker zum Stand der Technik, die mit einem zweiten Transkonduktor so verbunden sind, daß diese eine Wirklast darstellen (WO 86/07215). Diese Transkonduktoren können als aktive Filter eingesetzt werden, führen aber nicht ohne weiteres zu der mit der vorliegenden Erfindung angestrebten Wirkung.

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 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß am Leitungsanfang ein rückwirkungsfreies Signaltrennglied ange­ ordnet ist und daß am 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 und daß aus der Kompensationsquelle die übertragene Signalwechselspannung gewonnen wird.

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 von Tonkanälen, wozu der Kompensationsstrom nicht in eine Signalleitung, sondern in eine zusätzliche Ausgleichsleitung durch einen an eine Masse-Sammelleitung angeschlossenen Ausgleichsverstärker einge­ speist wird, der je einem der Verstärker der Tonkanäle zugeordnet ist. Damit soll erreicht werden, daß auf der Masse-Sammelleitung kein Strom fließt.

Das im Unterschied dazu nach Anspruch 1 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 2 als Signaltrennglied ein Verstärker, und zwar Leistungsverstärker, mit in Reihe nachgeschaltetem Zweipol vorgesehen, dessen Impedanz bei der niedrigsten zu übertragenden Frequenz größer als diejenige der Leitung ist. Als nachgeschal­ teter Zweipol kann insbesondere ein Serienwiderstand dienen, dessen Widerstandswert typisch 5 kΩ 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 Operationsverstärkers kann die annähernd konstante Spannung eingestellt werden, die an dem Leitungs­ ende infolge des Kompensationsstroms herrschen soll. Die dem Kompensationsstrom entsprechende Ausgangsspannung 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 übertragenden Leitung.

Zur aktiv störungsarmen und originalgetreuen Signalübertra­ gung über relativ lange Leitungen kann es nach Anspruch 4 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 2 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.

Die Erfindung wird zweckmäßig in einem Kabel zur Verwendung in einer der voranstehenden Anordnungen realisiert, wobei am Kabelanfang ein Leistungsverstärker mit nachgeschaltetem passiven Zweipol relativ hoher Impedanz integriert ist. Diese für sich handel­ bare Einheit kann zur Signalspannungsübertragung zwischen einer Quelle und einem Empfänger mit einer spannungsgesteuer­ ten Kompensationsstromquelle am Eingang eingesetzt werden.

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

Fig. 1 eine Ausführungsform der Anordnung zur Übertragung von Signalwechselspannungen mit Fernspeisung,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 1 ohne Fernspeisung,

Fig. 3 eine in mehrere Leitungsabschnitte aufgeteilte Leitung mit Anordnungen gemäß Fig. 1 und

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer spannungsgesteuerten Kompensationsstromquelle als Bestandteil der Anordnung.

In sämtlichen Figuren sind übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In der Anordnung nach Fig. 1 ist am Ausgang eines als Trennglied 9 vorgesehenen Verstärkers am Anfang einer Leitung 1 zwischen dem Ausgang des Trennglieds und der Leitung ein Serienwiderstand 10 angeordnet, der relativ hochohmig ist, z. B. typisch 5 kΩ beträgt. Die Leitung 1 ist mit einer Masseleitung 2 ergänzt.

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 an 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 hier über die Stromversorgungsleitungen 7, 8 von der Empfängerseite der Leitung her gespeist.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen in Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß bei ersterer das Trennglied 9 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. 3 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 22, 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. 1 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. 4 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. 3 - 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 25 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 26 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. 4 nicht dargestellt ist, wo eine entsprechend hohe Spannung abfällt, die sich zu der Ausgangs­ spannung U_Uv des Trennglieds z. B. 9 in Fig. 1 addiert.

Claims (5)

1. Anordnung zur Übertragung von Signalwechselspannungen, insbesondere Tonsignalen, über eine Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß am Leitungsanfang ein rückwirkungsfreies Signaltrennglied (9) angeordnet ist und daß am Leitungsende eine spannungsgesteuerte Kompensationsstromquelle (11) dergestalt angeordnet ist, daß ein Kompensa­ tionsstrom (I_k) in das Leitungsende eingespeist wird, der die Spannung am Leitungsende annähernd konstant hält, und daß aus der Kompensationsstromquelle (11) die übertragene Signalwechselspannung gewonnen wird (Fig. 1).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Signaltrennglied (9) ein Verstärker mit in Reihe nachgeschaltetem Zweipol (10) dient, dessen Impedanz bei der niedrigsten zu übertragenden Frequenz größer als diejenigen der Leitung ist (Fig. 1).

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, 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 (-; 27) eines zweiten Operationsverstärkers (26) verbunden ist, der stromgegengekoppelt ist und dessen Ausgang mit dem Leitungsende in kompensationsstromleitender Verbindung steht (Fig. 4).

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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 vorgesehen sind (Fig. 3).

5. Kabel zur Verwendung in einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Kabelanfang ein Leistungsverstärker (9) mit nachgeschaltetem passivem Zweipol (Serienwiderstand 10) relativ hoher Impedanz integriert ist.