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Schaltungsanordnung zur Bestimmung der gegenseitigen Störungen der
Stromkreise in Telephonkabeln Die Erfindung bezweckt, die gegenseitige Störung der
einzelnen Strcmkreise in Systemen elektrischer Leitungen, insbesondere in Telephonleitungssystemen,
zu messen.
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Gewöhnlich werden die Drähte zu zwei Paaren, von denen jedes einen
Stromkreis - die Stammleitung - bildet, vereinigt, so daß eine Viererleitung entsteht.
Aus dieser Anordnung ergibt sieh der überlagerte oder Viererkreis. Die Erfindung
bezweckt nun, sowohl die zwischen den Stammleitungen auftretende Störung (das Übersprechen)
als auch diejenige zwischen den Stammkreisen und dem Viererkreis (Mitsprechen) zu
vermitteln.
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Mit Viererleitung ist hier also ein System aus vier Drähten gemeint,
zwischen deren Stromkreisen Störungen vermieden werden sollen. Dabei ist es nicht
unbedingt notwendig, daß die Drähte zusammen so verlegt sind, daß sie in physikalischem
Sinne eine Viererleitung bilden, sondern der Begriff Draht soll sich auch auf den
Fall beziehen, wo zwei oder mehr Drähte in Parallelschaltung wie ein einzelner Draht
wirken.
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Die Erfindung kommt hauptsächlich bei Leitungen mit gleichförmig über
die Leitungslänge verteilten elektrischen Eigenschaften in Frage, also bei einem
unbelasteten oder kontinuierlich belasteten Kabel. Sie ist aber auch auf Leitungen
anwendbar, die mit Spulen in regelmäßigen Abständen belastet sind.
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Die Erfindung sieht ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung vor,
die bei der Herstellung und Zusammenschaltung der einzelnen Abschnitte einer vollständigen
Leitung zur Anwendung kommen soll mit dem Ziel, das Mindestmaß der gegenseitigen
Störung der Leitungsstromkreise zu erhalten.
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Es ist bereits vorgeschlagen, beim Messen der Störung zwischen den
Stomkreisen eines Leitungsabschnittes dasjenige Stromkreisende, das vom Meßgerät
aus gesehen am entfernten Leitungsende liegt, an eine Abschlußschaltung anzuschließen,
durch welche ein den elektrischen Eigenschaften des untersuchten Leitungsabschnittes
ähnlicher Stromkreis von unendlicher Länge fingiert wird, wobei die bisher übliche
Abschlußschaltung aus vier Widerständen bestand, die in Stern geschaltet waren.
Eine solche Sternverbindung aber paßt genau nur in dem Falle, wo der Viererwellenwiderstand
gleich derHälftedes\Vellenwiderstandes der Stammleitung ist; die Schaltung paßt
also nur, wenn es sich um Kabel handelt, welche mit Guttapercha isoliert sind undbeiwelchendieOberflächeder
Guttaperchaisolierung geerdet ist, oder wenn es sich um Kabel handelt, die mit Papier
isoliert sind und bei denen die einzelnen Vierer metallisch umschirmt sind, da nur
in diesen Fällen das Impedanzverhältnis tatsächlich - "/, ist. Wenn es sich aber
um papierisolierte, mit Blei umkleidete Kabel ohne Umschirmung handelt, wie man
sie auf Land benutzt, dann weicht das Verhältnis von 'J;; ab und ist allgemein ungefähr
4/10.
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Eine Abschlußschaltung, welche allgemeiner anwendbar ist, wäre deshalb
sehr
wünschenswert, und eine solche wird durch die Erfindung in
Gestalt einer an das Ende fern von dem Meßgerät anzuschließenden Schaltung dargeboten,
welche beim Meßvorgang so wirkt, als ob das untersuchte Kabelstück ins Unendliche
verlängert wäre, deren Hauptmerkmal darin besteht, daß sie von einem Netzwerk aus
sechs Stromzweigen gebildet wird. Zur Messung der Störungen dient eine Wechselstrombrücke,
die veränderliche Widerstände in Parallelschaltung mit einem festen und einem veränderlichen
Kondensator enthält, so daß sowohl das Gleichgewicht störende Widerstandskomponenten
als auch das Gleichgewicht störende Reaktanzkomponenten gemessen werden können.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Lage eines Abschnittes
innerhalb der vollständigen Leitung und die sich daraus ergebende Wirkung auf die
gegenseitige Störung der Stromkreise berücksichtigt. Im folgenden wird gezeigt werden,
welchen Einfluß der Abstand eines Leitungsabschnittes von einem Ende der ganzen
Leitung auf die Störung zwischen den Stromkreisen der ganzen Leitung hat.
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Abb. z zeigt eine Viererleitung innerhalb einer Telephonleitung, deren'
eines Paar mit AAS, BBl und deren anderes Paar mit CC, DDI bezeichnet ist.
Von dem Ende ABCD aus betrachtet, könnte das System hinsichtlich der Störungen zwischen
den Stromkreisen durch ein :Yetzwerk aus sechs Stromzweigen ersetzt werden, welche
die vier Punkte A B C D so, wie in Abb. a dargestellt, miteinander
verbinden. Hierbei stellen die Buchstaben W X Y Z M N die verallgemeinerten
Leitwerte dar.
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Wenn die vier Drähte der Viererleitung die gleichen elektrischen Eigenschaften
aufweisen, das System also symmetrisch ist, bestehen die Gleichungen: W=X-Y--Z---.
W
AI :Z:-# N
In diesem Falle lassen sich die Werte leicht ermitteln:
Die Impedanz des Stromkreises AB
ist gleich der Impedanz des Stromkreises
CD
gleich ZS, ferner ist die Impedanz des Viererkreises ABICD gleich Zp.
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Daraus ergeben sich folgende Gleichungen:
Hieraus lassen sich W und M als Ausdrücke von Z, und Zp, die bekannt sind oder leicht
gemessen werden können, bestimmen.
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Oben war angenommen worden, daß M==N
ist. In diesem Falle ist
Z, für beide Stammkreise AB und CD gleich groß. Ist M aber nicht
- N, dann ist für ,das Paar AB
Wie vorher ist
woraus sich W, M und N berechnen lassen.
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Bei unendlicher Länge der Leitung wird Z, gleich Z" 'dem Wellenwiderstand
der Stammstromkreise. Ferner wird dann Zp gleich Z,p dem Wellenwiderstand des Viererkreises.
Ist die Leitung belastet, so ist der Winkel zwischen den Vektoren ZCS bzw. Z.p und
deren obengenannter Widerstandskomponente klein. Für die praktische Anwendung bei
der Konstruktion des Netzwerkes, durch das eine belastete, unendlich lange Leitung
dargestellt werden soll, kann dieser Winkel im allgemeinen vernachlässigt werden,
und die Zweige können aus Ohmschen (nicht induktiven) Widerständen bestehen. Die
Schwankung von ZCS und Z., mit der Frequenz ist klein, so daß solch ein :Netzwerk
mit Ohmschen Widerständen bei einer dem Mittelwert der Sprachfrequenzen entsprechenden
Bemessung der Werte eine belastete, unendlich lange Leitung repräsentiert, wenn
es besprochen wird. Wenn ein Teil einer endlichen Leitung in ein solches Netzwerk
ausläuft, verhält er sich hinsichtlich der Störung zwischen den Stromkreisen genau
so, als ob er in eine entsprechende unendlich lange Leitung auslaufen würde.
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Die unendliche Leitung sollte tunlichst dieselben Eigenschaften wie
die endliche Leitung aufweisen, welche durch jene begrenzt wind, um Reflexionswirkungen
zu vermeiden. Indessen ist ein ziemlich weiter Spielraum zulässig, innerhalb dessen
die üblichen Schwankungen der elektrischen Konstanten liegen, welche sich bei der
Herstellung ergeben. Deshalb läßt sich ein Netzwerk verwenden, bei dem die Widerstände
der Stromzweige dem Mittelwert der Messungsergebnisse von einigen Viererleitungen
entsprechen. Im folgenden soll eine Leitung als begrenzt bezeichnet werden, wenn
sie in eine solche unendliche Leitung oder ein Äquivalent ausläuft.
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Bei dem in Abb. 2 dargestellten allgemeinen
Fall
mögen folgende Bedingungen vorliegen W--X -P Z__Y-Q W-Z -R X - Y z- S W+X+Y+Z=4W,
wobei alle diese Größen komplexe Vektorgrößen sind. Sind nun P, O, R, S klein im
Vergleich zu W, X, Y, Z, wie es praktisch im allgemeinen der Fall ist, so
ist P - _O = R - S = Fein Maßstab der Störung zwischen den Stammkreisen
AB und CD. Maßstäbe der Störung zwischen den Stammkreisen
AB bzw. CD und dem überlagerten Stromkreis sind P '-, D = G und R
-j- S -H. Diese Größen, F, G und H, sollen im folgenden als Störungskoeffizienten
der Viererleitung bezeichnet werden. Sie können bequem- mit einer Wechselstrombrücke
gemessen werden.
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In Abb.3 bedeutet io die Quelle eines Wechselstromes, der durch den
ausgeglichenen und abgeschirmten Transformator 9 der Brücke zugeführt wird. Die
Zweige 1,:2 sind unveränderlich und bestehen aus gleichen Impedanzen, vorzugsweise
aus gleichen Ohmsehen Widerständen. Der Zweig 3 enthält einen festen und 4 einen
veränderlichen Luftkondensator. 5 und 6 sind feste, einander gleiche, induktionsfreie
Widerstände. 7 ist ein veränderlicher, induktionsfreier Widersiand. Der Zweigschalter
8 ist so angeschlossen, daß der Widerstand 7 in Reihe mit 5 oder mit 6 geschaltet
werden kann. Das Telephon oder ein anderer geeigneter Detektor i i ist zwischen
die Verbindungsstellen der Zweige i, 2 und 3, 4 geschaltet. Die Brücke wird bei
der Untersuchung an die Viererleitung ABCD mittels eines Schalters 1.2, der in den
Einzelheiten nicht dargestellt ist, so angeschlossen, daß A an die Verbindungsstelle
von i, 4 und 5, B an die Verbindungsstelle von 2, 3 und 6 und C an die Verbindungsstelle
von 3, 4 und 8 angeschlossen wird, während D frei bleibt. Dann werden der Kondensator
4, der Widerstand 7 und der Schalter 8 so eingestellt, daß im Telephon i i kein
Ton hörbar wird. Es sei angenommen, daß nach einer solchen Einstellung die Kapazität
von 3 und 4 gleich K bzw. K, Farad und ider Widerstand von 5, 6 und 7 gleich R bzw.
R, _r, Ohm sei. Ferner sei co - 2 ur f, wenn f die Frequenz
des Meßstromes ist. Der Schalter 8 möge in der mit 4- bezeichneten Stellung liegen,
so daß also 7 mit 5 in Reihe geschaltet ist. Dann ergibt sich folgende Bedingung
für das Gleichgewicht der Brücke:
wobei
ist, so daß sich ergibt
Der Kondensator 4 kann so kalibriert werden, daß er K - K1 = cl unmittelbar anzeigt.
Im allgemeinen ist r, klein gegenüber R, so daß
ist. Daraus und aus Gleichung (3a) folgt:
Dann werden mit Hilfe des Schalters i2 C und D vertauscht, so daß
D an die Verbindungsstelle von 3, 4 und 8 angeschlossen wird und C frei bleibt.
Die Brücke wird dann wieder ins Gleichgewicht gebracht, so daß man neue Werte r2,
c. des veränderlichen Widerstandes und des Kondensators erhält. Dann ist entsprechend
.Gleichung (3b)
wobei
ist. Im allgemeinen sind >.1, >,2 einander fast gleich, so däß ihre Differenzen
gegenüber dem Mittelwert a vernachlässigt werden können, woraus
folgt. Die Werte W und N werden aus den Gleichungen (2) und (2;a)
abgeleitet.
Mittels des Schalters 12 werden dann die Anschlüsse an die Viererleitung
so umgeändert, daß C an die Verbindungsstelle von 1, 4 und 5, D an die Verbindungsstelle
von 2, 3 und 6 und A an die Verbindungsstelle von 3, 4 und 8 angeschlossen wird,
während B frei bleibt. Dann wird die Brücke wieder ins Gleichgewicht gebracht, woraus
man neue Werter, _c3 erhält. Schließlich werden A und B mittels des Schalters 12
vertauscht, während die anderen Anschlüsse unverändert bleiben, so daß B an die
Verbindungsstelle von 3, 4 und 8 angeschlossen wird, während A frei bleibt. Man
liest dann neue Werte r4, c4 ab. Entsprechend den Gleichungen (5), (6) ist
Da, R - S - P - Q = F ist, bildet die Gleichung (8) eine Kontrolle für die Genauigkeit
der Ablesungen.
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Abb.4 zeigt eine Meßbrücke, die im wesentlichen der in Abb. 3 dargestellten
gleicht und nur zusätzlich ein Paar gleicher Stromzweige 13, 14 aufweist, idüe an
die Verbindungsstelle von 1, 4 und 5 einerseits und die Verbindungsstelle von 2,
3 und 6 andererseits angeschlossen sind. Die Verbindungsstelle von 13, 14 steht
durch den Schalter 12 mit demjenigen Draht der Viererleitung in Verbindung, der
vorher frei geblieben war, in diesem Falle mit D. Die Stromzweige 13 und 14 können
aus gleichen Impedanzen, vorzugsweise aus induktionsfreien Widerständen bestehen.
Ihre Wirkung geht dahin, den Wert von A. in den Gleichungen (3) bis (6) herabzusetzen,
so daß die Schwankungen in 2,, usw. belanglos werden. Die Stromzweige i und 2 haben
vorzugsweise einen Widerstand von je iooo Ohm, die Stromzweige 5 und 6 einen solchen
von je io ooo Ohm und die Stromzweige 13 und 14 je i oo Ohm.
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Freilich kann die beschriebene Anordnung in Einzelheiten abgeändert
werden: Statt der festen und veränderlichen Kondensatoren 3 und 4 kann ein Differentialkondensator
aus zwei Sätzen fester Platten 3', 4' und einem Satz beweglicher Platten 3" (Abb.
5) verwendet werden. Statt des Widerstandes 7 mit dem Schalter 8 kann auch ein Widerstand
nach Art der bekannten Differentialschiebedrahtwiderstände Vernvendung finden.
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Das vorliegende Verfahren unterscheidet sich von allen bereits beschriebenen
und benutzten dadurch, daß die nicht im Gleichgewicht befindlichen gemessenen Größen
komplexe Vektorgrößen sind, und daß daher sowohl verstellbare Widerstände als auch
verstellbare Kondensatoren in Parallelschaltung erforderlich sind, um beide Komponenten
miteinander ins Gleichgewicht zu bringen.
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Wenn bei der Messung des Störungskoeffizienten der A-Draht und der
B-Draht miteinander vertauscht werden, wechseln F und G bei unveränderter Größe
ihre Vorzeichen. Werden der C- und der D-Draht miteinander vertauscht, so wechseln
F und H ihre Vorzeichen. Werden sowohl das AB-Paar als auch das CD-Paar vertauscht,
so wechseln zwar G und H ihre Vorzeichen, F bleibt aber unverändert. G ist der zu
dem AB-Paar gehörige und H der zu dem CD-Paar gehörige Koeffizient, während F sowohl
von dem AB-
als -auch von idem CD-Paar abhängt. Werden das AB- und
CD-Paar miteinander vertauscht, so wechseln G und H einander ab.
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Es sei nun angenommen, daß eine Viererleitung I-II Störungskoeffizienten
F1, G, und H, aufweist, wenn sie am Ende I gemessen und am Ende II begrenzt wird.
Bildet nun die Strecke I-II denjenigen Teil einer Fernleitung, dem eine Strecke
_i einer ähnlichen Leitung vorangeht, und ist das Ende II begrenzt, dann betragen
die Störungskoeffizienten, die an dem Ende o der vorausgehenden Strecke gemessen
werden: F'=-F, e-(P,+pr)1 (9 a)
GI-GJ e-(P,+P.)I (9b) Hl-Hl e-(PZ+P.)1,
(9 c)
wobei P1 die auf die Längeneinheit verkleinerte komplexe Däimpfungskonstante
des AB-Stromkreises, P2 die auf die Längeneinheit verkleinerte komplexe Dämpfungskonstante
des CD-Stromkreises und PS die auf die Längeneinheit verkleinerte komplexe Dämpfungskonstamte
id@es Viererkreises ist und e die Basis der natürlichen Logarithmen bedeutet.
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Diese Betrachtung kann auf jede beliebige Zahl von ähnlichen Viererleitungen,
die in
Reihe geschaltet sind, ausgedehnt werden. In Abb. 6 sind
vier Strecken in Zusammenschaltung dargestellt, wobei das Ende IV durch das Meßgerät
ioo und das Ende o durch das Meßgerät 99 begrenzt ist. Wenn jede Strecke für sich
von dem der Nullstelle zugewandten Ende aus gemessen und an dem von der Nullstelle
abgewandten Ende begrenzt wird, mögen sich folgende Koeffizienten ergeben:
| Für die Strecke o - I ....... Fo Go Ho |
| I - II ....... F1 GI HI |
| - - - II - III ....... Fll G11 Hll |
| - - - III - IV . . . . . . . Fill Glll Hlll. |
Bei der Messung von o aus ergeben sich dann folgende Störungskoeffizienten-
F
=F,+ FI e
- (P1
+ P2) h + Fll e- (P1 + P2) I2 + Flll
e - (P, +
P2) #l (I02.)
G G, -j-
GI e-(P,4 Pe)
1, .+ GI, e-(P,+Pe)
12 + GIII e-(PI+Pe)
11 (lob)
H-=Ho+Hle-(P2+Pe)1i+HIIe-(P2+Ps)12+Hllle (P2+Pe)1a. (10 c) Diese Koeffizienten sind
komplexe Leitwerte und können in ihre Komponenten aufgelöst werden, um die Addition
auszuführen. Der das Übersprechen kennzeichnende Koeffizient in der Gleichung (9.a)
mag als Beispiel dienen: Es sei angenommen, daß die beiden Stammkreise dieselben
elektrischen Konstanten haben, was praktisch im allgemeinen der Fall ist, also P1
= P@
= ß -f-
j a. -
Angenommen, es sei Fi = s, + 9 w cl '>#F - s1 + i w ei. Dann ist sl-sie-2ßßiCOs2al+wcle-2.rIlgjn2al
(iIa) w cl=i cl e-2',' l cos 2 U l-sle-2 ü 1 sin 2G,1. (iib) Die Gleichungen
haben den Aufbau s1 - K s, -f- KI cl (i2a) cl = K cl - KIIsl, (i2b) wobei
sich für jede besondere Leitung und Frequenz K, KI, KII Konstanten ergeben,
die sich nur mit der Länge ändern. Die Gleichungen lassen sich daher leicht praktisch
anwenden.
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Wie bereits oben erläutert, wechseln F, G, H ihre Vorzeichen, je nachdem
wie die Drähte an das Meßgerät angeschlossen sind. Daraus folgt, daß ihre Effektivwerte,
wie sie in den Gleichungen (io) gegeben sind, durch Vertauschen der Drähte gegenüber
(lern gemessenen Ende in ähnlicher Weise ihre Vorzeichen wechseln. Daher kann durch
Herstellung geeigneter Querverbindungen zwischen den Drähten aufeinanderfolgender
Abschnitte die algebraische Summe ihrer effektiven Koeffizienten klein gehalten
werden.
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Um die Störung zwischen den Stromkreisen eines Leitungssystems zu
verringern, wird nach der Erfindung die Leitung in Abschnitte eingeteilt. Jeder
Abschnitt wird für sich untersucht und seine Störungskoeffizienten unter Begrenzung
des Endes gemessen. Dann werden die Abschnitte so zusammengeschaltet, daß die sich
ergebenden Störungskoeffizienten an den Leitungsenden klein sind.
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Theoretische Betrachtungen zeigen, daß jede große Störung des Gleichgewichts
durch eine entgegengesetzt und möglichst in der Nähe wirksame Störung dergleichen
Größenordnung ausgeglichen werden kann. Daher werden erfindungsgemäß die Leitungsabschnitte
in einer Reihenfolge angeordnet, die diesem Erfordernis Rechnung trägt. Wenn die
Leitung schon verlegt ist, kann das natürlich nicht mehr geschehen, und die Verminderung
von Gleichgewichtsstörungen kann nur durch passende Querverbindungen erfolgen.
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Dann werden die effektiven Störungskoeffizienten der Viererleitung,
wie sie sich bei Betrachtung von einem Leitungsende aus ergeben, mach Formel (ii)
berechnet und Querverbindungen innerhalb der Viererleitungen und zwischen den verschiedenen
Viererleitungen so angeordnet, daß die Summe der wirksamen Störungskoeffizienten
(s. Gleichung io) möglichst verringert wird. Wenn das Kabel nur eine Viererleitung
hat, kommen natürlich nur Querverbindungen innerhalb der Viererleitung in Frage.
Bei Kabeln mit mehrfachen Adern, welche denselben Charakter bezüglich der Leitungskonstanten
aufweisen, können Querverbindungen sowohl zwischen den verschiedenen
Viererleitungen
als auch innerhalb der einzelnen Viererleitungen angeordnet werden.
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Für kurze Leitungsstrecken betrachtet man am besten die Wirkung der
Querverbindungen von jedem Leitungsende aus. Ist die Leitung so lang, daß eine Unausgeglichenheit
in der von dem betrachteten Ende entfernten Leitungshälfte infolge der Verringerung
der Sprechströme an dem betrachteten Ende eine geringe Wirkung hat, so wird die
Leitung am besten halbiert, und die Abschnitte jeder Hälfte werden beim Ausgleich
der Störungskoeffizienten vom zugewandten Ende aus betrachtet.
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Bei kurzen Leitungsstrecken benutzt man zur Anwendung der Erfindung
am besten eine einzige Frequenz von etwa 7 ooo Hz. Für lange Strecken teilt man
das Kabel am besten in Teile, die aus ein paar Abschnitten bestehen, ein, gleicht
die Abschnitte eines Tei-- ' les bei einer höheren Frequenz, etwa bei io ooo Hz,
aus, und dann schafft man den Ausgleich zwischen den Teilen bei einer niedrigeren
Frequenz, etwa bei 5 ooo Hz. Der Ausgleich kann in drei Stufen mit verschiedenen
Frequenzen vorgenommen werden, um für Sprechströme einen möglichst vollkommenen
Ausgleich zu erzielen.