DE4414224C2

DE4414224C2 - Verfahren zum Kompensieren von Übertragungsverzerrungen bei Kleinsignal-Übertragungsketten

Info

Publication number: DE4414224C2
Application number: DE19944414224
Authority: DE
Inventors: Rudolf Richter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-23
Filing date: 1994-04-23
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2014-04-24
Also published as: DE4414224A1

Description

In der HF- und NF-Technik muß häufig der Ausgang eines Gerätes (Quelle) mit dem Eingang eines anderen Gerätes (Empfänger) mittels eines Kabels oder einer Leitung verbunden werden. Beispiele hierfür (z. B. aus der HiFi-Technik) sind die Verbindungen von CD-Spieler, Tuner usw. zum Vor- oder Vollverstärker, vom Vorverstärker zum Endverstärker oder zur aktiven Frequenzweiche, von der aktiven Frequenzweiche zum Endverstärker. Die miteinander verbundenen Geräte bilden dann eine sog. Übertragungskette. Die verwendeten Kabel oder Leitungen haben immer bestimmte elektrische Kenngrößen (s. einschlägige Lehrbücher dar Elektrotechnik, z. B. Bosse, Grundlagen der Elektrotechnik Band III, Bibliographisches Institut Mannheim 1969, Seite 113 ff.)

Diese Kenngrößen sind: Serienwiderstand R, Induktivität L, Kapazität C und Isolationsableitung G. Anstelle der Isolationsableitung G kann auch deren Kehrwert, der Isolationswiderstand Ri, verwendet werden. Das Ersatzschaltbild eines solchen Kabels ist aus dem mittleren Teil von Bild 1 ersichtlich.

Für eine verzerrungsfreie Leitung gilt:

oder

L = C × R × Ri (Gleichung 1)

(s. Bosse, wie oben). In diesem Fall verschwindet nämlich der Imaginärteil der Übertragungsfunktion, d. h. es treten keine Phasenverzerrungen auf.

Betrachtet man das Kabel im angeschlossenen Zustand zwischen Quelle und Empfänger, erkennt man, daß der Ausgangswiderstand der Quelle (Ra) in Reihe zum Serienwiderstand R und der Eingangswiderstand des Empfängers (Re) parallel zum Isolationswiderstand Ri des Kabels liegen (Bild 1).

Typische Werte der betrachteten Größen sind: (s. u. a. Zeitschrift stereoplay, Heft 3/1994, Seite 42 ff.):
R ca. 50 milliOhm/m
L ca. 0,5 mikroHenry/m
C ca. 100 picoFarad/m
Ri ca. 100 MegaOhm/m und höher
Ra ca. 1 . . . 1000 Ohm
Re ca. 10 . . . 100 kiloOhm.

Da der Serienwiderstand des Kabels R sehr klein ist gegen den Ausgangswiderstand Ra, kann R in der Reihenschaltung vernachlässigt werden. Ebenso kann der im Vergleich zu Re sehr große Ri in der Parallelschaltung vernachlässigt werden, so daß sich das vereinfachte Ersatzschaltbild der kompletten Übertragungskette nach Bild 2 ergibt. Jetzt gilt entsprechend Gleichung 1 für verzerrungsfreie Übertragung:

L = C × Re × Ra (Gleichung 2)

In der Praxis wird nach heutigem Stand der Technik diese Bedingung gar nicht oder nur unvollständig berücksichtigt.

So wird in den meisten Fällen bei der Auswahl des Kabels lediglich darauf geachtet, dass bei Geräten mit hohem Ausgangswiderstand ein Kabel mit niedriger Kapazität gewählt wird, damit die Dämpfung bei hohen Frequenzen nicht zu groß wird (s. stereoplay, wie oben).

Andere Ansätze beschränken sich auf die Betrachtung des Kabels allein und versuchen dafür die Verzerrungsfreiheit zu erreichen. So hat bereits Michael Pupin 1899 die nach ihm benannte Pupinspule zur Erhöhung der Induktivität von Telegraphenleitungen vorgeschlagen. Dadurch sollten aber nicht die Übertragungsverzerrungen, sondern die Dämpfung der Leitung verringert werden, damit Übertragungen über größere Entfernungen überhaupt möglich waren. Es ging hier also nicht um die Qualität, sondern um die Existenz des Signals. Natürlich kann man zur Verbesserung der Übertragung auch aktive Schaltungen einsetzen (GB 1159777). Sie sind jedoch sehr aufwendig und damit kostenintensiv und kommen daher für eine breite Anwendung nicht in Frage. Außerdem verursachen aktive Bauelemente zusätzliche nichtlineare Verzerrungen und zusätzliches Rauschen.

Aus neuerer Zeit stammt der Vorschlag, durch Verwendung hochpermeablen Drahtmaterials den Induktivitätsbelag eines Kabels zu erhöhen und dadurch Verzerrungen zu vermeiden (US- Patent 4964738). Hierbei entsteht aber, selbst wenn ein in sich verzerrungsfreies Kabel in der Übertragungskette verwendet wird, durch das Zusammenwirken mit dem Ausgangswiderstand der Quelle und dem Eingangswiderstand des Empfängers normalerweise wieder ein Ungleichgewicht nach Gleichung 2. Verzerrungsfreie Leitung bedeutet also noch nicht verzerrungsfreie Übertragung.

Ein Zahlenbeispiel möge dies verdeutlichen: nimmt man typische Werte wie C = 100 pF, Ra = 470 Ohm und Re = 22 kOhm, ergibt sich für die rechte Seite der Gleichung ein Wert von 1034 mikroHenry gegenüber links tatsächlich vorhandenen ca. 0,5 mikroHenry. Es wird also in der Praxis in der Regel die rechte Seite der Gleichung erheblich größer sein als die linke Seite, wodurch Übertragungsverzerrungen auftreten.

Die Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem für jede beliebige vorgegebene Übertragungskette Verzerrungsfreiheit herstellbar ist, indem die Bedingung nach Gleichung 2 erfüllt wird.

Gelöst wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Dazu muss in der Regel, wie oben dargelegt, die linke Seite der Gleichung (also L) vergrößert und/oder die rechte Seite (also C und/oder Re und/oder Ra) verkleinert werden.

C läßt sich normalerweise nicht wesentlich verkleinern. Für das obige Zahlenbeispiel müßte C auf einen Wert von ca. 0,05 pF verkleinert werden, um Gleichung 2 zu erfüllen. Es ist heute technisch so gut wie unmöglich, Kabel mit derart niedriger Kapazität herzustellen.

Ra liegt bei gegebener Quelle fest und läßt sich nachträglich ohne Eingriffe in das Gerät nicht verkleinern. Es kann allerdings sein, daß bei sehr kleinen Ausgangswiderständen die Gleichung in die Nähe der Erfüllung kommt. Eine Gegenrechnung mit den obigen Werten zeigt, daß bei Ra = 0,227 Ohm die Bedingung erfüllt ist, wobei dann aber der Serienwiderstand des Kabels nicht mehr zu vernachlässigen ist.

Re könnte sehr einfach durch Parallelschaltung eines Widerstandes verkleinert werden. Dabei vergrößert sich aber gleichzeitig entsprechend der aus der Quelle entnommene Strom. Dem sind aber durch die i. a. begrenzte Belastbarkeit der Quelle relativ enge Grenzen gesetzt, so daß es in den meisten Fällen nicht möglich sein wird, mit dieser Maßnahme alleine die Bedingung zu erfüllen. Lediglich bei Quellen mit sehr niedrigem Ausgangswiderstand und hoher Belastbarkeit wird diese Methode alleine ausreichen.

Es wird also in der Praxis in der Regel nicht möglich sein, durch Verkleinerung der Parameter C, Re oder Ra die gewünschte Verzerrungsfreiheit herzustellen.

Was jedoch immer möglich ist und daher in den meisten Fällen die Methode der Wahl sein wird, ist die Vergrößerung des Parameters L. Praktisch wird man dazu eine Spule mit der erforderlichen Induktivität in den Signalweg bringen, z. B. in das Kabel oder den Stecker des Kabels (Patentanspruch 2) oder in das Quellen- bzw. Empfangsgerät (Patentanspruch 3) oder in einen zusätzlich in die Übertragungskette zu schaltenden Adapter (Patentanspruch 4). In allen Fällen kann es auch von Vorteil sein, zur optimalen Anpassung zwischen mehreren verschiedenen Induktivitäten wählen zu können, z. B. mittels eines Wahlschalters.

Die klanglichen Vorteile einer erfolgreichen Kompensation sind, genügend gute Wiedergabegeräte vorausgesetzt, deutlich hörbar. Die Wiedergabe, insbesondere die der hohen Frequenzen, wird sauberer. Die Zischlaute (s, z, sch usw.) der Sprache werden von störenden, zischenden Nebengeräuschen befreit. Die Räumlichkeit der klanglichen Abbildung nimmt zu, der Klang löst sich von den Lautsprechern. Man kommt also dem Ziel einer naturgetreuen, unverfälschten Übertragung nochmals ein großes Stück näher.

Das Neue an diesem Vorschlag ist, daß das Prinzip der verzerrungsfreien Übertragung auf die gesamte Übertragungskette Quelle - Leitung - Empfänger angewendet wird. Dabei ist es möglich, für jede beliebige Übertragungskette durch einfache Zuschaltung einer Induktivität, also mit einfachen und kostengünstigen Mitteln, nachträglich Verzerrungsfreiheit herzustellen, ohne z. B. auf die Verwendung eines besonderen Kabels oder spezieller aktiver Schaltungen angewiesen zu sein.

Claims

1. Verfahren zum Kompensieren von Übertragungsverzerrungen zwischen einer Signalquelle und einem Empfänger einer Kleinsignal-Übertragungskette, insbesondere in der HiFi- und Audiotechnik gekennzeichnet durch
Zuschalten eines seriellen, passiven, induktiven Kompensationselementes (L) in die Übertragungskette, das sich abhängig von den Kenngrößen der Leitung zwischen der Signalquelle und dem Empfänger sowie der Signalquelle und des Empfängers nach der Gleichung
L = C × Re × Ra
errechnet, wobei
C die Kapazität der Leitung,
Re der Eingangswiderstand des Empfängers und
Ra der Ausgangswiderstand der Signalquelle
sind.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch Zuschalten eines oder mehrerer wählbarer serieller, passiver, induktiver Kompensationselemente (L) in die Leitung oder die Stecker der Leitung.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch Zuschalten eines oder mehrerer wählbarer serieller, passiver, induktiver Kompensationselemente (L) in das Quellen- oder das Empfangsgerät.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch Zuschalten eines oder mehrerer wählbarer serieller, passiver, induktiver Kompensationselemente (L) in einen besonderen, zusätzlich zwischen Quelle und Leitung oder zwischen Leitung und Empfänger zu schaltenden Adapter.