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Die
vorliegende Erfindung betrifft Systeme zur Übertragung von Informationen,
die modulierte digitale Daten und analoge Signale enthalten, über Fernsprechleitungen,
also Systeme, welche die gleichzeitige Übertragung eines Telefongesprächs und
von Daten auf einer einzigen Fernsprechleitung oder Teilnehmerschleife
ermöglichen.
Es findet folglich zwischen einem Teilnehmeranschluss und einer Fernsprechzentrale
eine gleichzeitige Übertragung eines
Telefongesprächs
und von modulierten digitalen Daten statt, z. B. in Verbindung mit
dem Internet. Man kennt insbesondere Systeme dieser Art vom asymmetrischen
Typ (ADSL), bei denen der vom Teilnehmer auf der Leitung gesendete
Datenfluss mit niedriger Bitrate erfolgt und ein reduziertes Frequenzband
belegt und der beim Teilnehmer ankommende Datenfluss mit hoher Bitrate
erfolgt und einen größeren Frequenzbereich
nutzt, der an den für
den Fluss mit niedriger Bitrate verwendeten Frequenzbereich angrenzt.
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Sowohl
beim Teilnehmer als auch in der Fernsprechzentrale wird zur Trennung
zwischen dem Hochfrequenzkanal für
[digitale] Daten und dem Niederfrequenzkanal für analoge Telefonsignale ein
Weichenfilter verwendet. Dieser Weichenfilter trennt auf Teilnehmerebene
die modulierten digitalen Hochfrequenzdaten von den analogen Niederfrequenzsignalen,
wobei die modulierten digitalen Hochfrequenzdaten z. B. an ein Modem
und dann einen Mikrocomputer gesendet und die analogen Niederfrequenz- Telefonsignale an
das Telefon des Teilnehmers gesendet werden.
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Der
Stand der Technik in diesem Bereich vor der vorliegenden Erfindung
wird in der Patentschrift
EP
0 677 938 veranschaulicht.
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Herkömmliche
Fernsprechleitungen bestehen aus verdrillten Kupferdrähten mit
einer Isolierhülle
aus Polyethylen. Eine derartige Leitung weist eine komplexe Impedanz
mit einem kapazitiven Term auf, welcher der Eigenkapazität der Leitung
entspricht. Was den Niederfrequenzkanal betrifft so ist es notwendig,
dass die Vorrichtung zur Trennung, die zugleich ein Filtern und
ein Entzerren durchführt,
eine Eingangsimpedanz und eine Ausgangsimpedanz aufweist, die so
eng wie möglich
bei der charakteristischen Impedanz der Leitung liegen, oder die,
aus Gründen
in Zusammenhang mit der Verwendung von Hybridtransformatoren, so
nah wie möglich
an einer normierten Impedanz sind, die durch die jeweils zuständigen Verwaltungen
(wie France Telecom, Deutsche Telekom usw.) festgelegt wird. Im
Folgenden wird in dieser Patentschrift unter charakteristischer Impedanz
die normierte komplexe Impedanz verstanden, die durch diese zuständigen Verwaltungen festgelegt
ist.
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Außerdem darf
die Vorrichtung zum Filtern und Entzerren des Niederfrequenzkanals
nicht den Fernsprechdienst stören,
das heißt
sie darf keine Signale in den Niederfrequenzkanal einspeisen, welche
die Qualität
der Sprachsignale des Telefongespräches beeinflussen können. Ebenso
darf der Fernsprechkanal keine Störsignale im Datenkanal induzieren,
die z. B. durch Abheben und Auflegen des Handapparates oder durch
das Klingelsignal, das auf der Leitung übertragen wird, entstehen.
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Die
charakteristischen Impedanzen der Fernsprechleitungen können von
Land zu Land unterschiedlich sein. So kommt es, dass die charakteristische
Impedanz der deutschen Fernsprechleitungen anders ist als diejenige
der in Frankreich und in anderen europäischen Ländern verwendeten Leitungen.
Der Weichenfilter muss also den verschiedenen Typen von Fernsprechleitungen
leicht angepasst werden können.
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Darüber hinaus
ist es im Allgemeinen wünschenswert,
dass der Weichenfilter leicht beim Teilnehmer zu installieren ist
und dass er eine ausreichend lange Lebensdauer aufweist, z. B. mindestens 10
Jahre.
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Um
diesen verschiedenen Anforderungen aufs beste gerecht zu werden
hat die Erfindung einen Weichenfilter zur Trennung eines Hochfrequenzkanals
für modulierte
digitale Daten von einem Niederfrequenzkanal für analoge Telefonsignale zum
Gegenstand, wobei die Daten und die Signale gleichzeitig über eine
Teilnehmerschleife übertragen
werden, die eine zweidrähtige
Fernsprechleitung umfasst, welche eine komplexe charakteristische
Impedanz aufweist, und wobei der Niederfrequenzkanal einen passiven
Ausgangsentzerrer, der einen Widerstand und dazu eine parallel geschaltete
Induktivität
umfasst, wodurch die Impedanzanpassung an die charakteristische
Impedanz begünstigt
wird, und einen vorgeschalteten aktiven Entzerrer enthält, der
die Dämpfungsverluste
des passiven Entzerrers ausgleicht, sodass die Telefonsignale zwischen
der Fernsprechleitung und der Fernsprechzentrale oder dem Teilnehmeranschluss
mit geringen Verlusten und bei der charakteristischen Impedanz übertragen werden
können,
ohne in der Leitung Störsignale
zu induzieren.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst der Niederfrequenzkanal, in Serie geschaltet:
- – einen
ersten einfachen Tiefpassfilter, dessen Eingangsimpedanz der charakteristischen
Impedanz angepasst ist und der den Durchgang für Hochfrequenzsignale sperrt,
- – den
ersten aktiven Entzerrer,
- – einen
zweiten Filter, der berechnet wurde, um als Bandsperre eine gute
Unterdrückung
sicherzustellen und der das durch den ersten aktiven Entzerrer induzierte
Rauschen unterdrückt,
- – und
den zweiten passiven Entzerrer.
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Vorteilhafterweise
ist der erste Filter, und zwar der Tiefpassfilter, eine Siebkette,
die je nach der in jeder einzelnen Anwendung gewählten Ausführungsform aktiv oder passiv
ist. Sie kann insbesondere eine Topologie haben, die mit derjenigen
eines elliptischen Filters vergleichbar ist, oder aber eine Topologie,
die mit derjenigen eines Filters vergleichbar ist, dessen Dämpfungspole
im Unendlichen liegen (d. h. vergleichbar mit der Topologie eines
Butterworth- oder Tschebyscheff-Filters).
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst der zweite Filter mindestens einen passiven
Filter, der dieselbe Topologie wie ein elliptischer Tiefpassfilter
aufweist. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
kann der zweite Filter nach der Topologie eines Filters ausgeführt sein,
dessen Pole im Unendlichen liegen (insbesondere der Topologie eines Butterworth-
oder Tschebyscheff-Filters).
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Vorteilhafterweise
und unabhängig
von seiner Topologie kann der zweite Filter in Aktivtechnik ausgeführt sein.
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Gemäß eines
weiteren Merkmals der Erfindung bildet der erste Entzerrer die Serienschaltung eines
Widerstandes und einer Kapazität
nach, die beide negativ sind. Vorteilhafterweise umfasst er mindestens
einen Operationsverstärker
mit einer Last, die einen in Serie geschalteten Widerstand und einen
Kondensator umfasst. In seinen bevorzugten Ausführungsformen umfasst er einen
Transformator.
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Zur
Verwendung auf gewöhnlichen
Fernsprechleitungen weisen die Filter und die Entzerrer eine symmetrische
Struktur auf. Was den ersten aktiven Entzerrer betrifft, so werden
vorteilhaft Operationsverstärker
verwendet, deren Schaltung die Ausführung eines Wandlers mit negativer
Impedanz ermöglicht.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung bezüglich der in der industriellen
Praxis am besten brauchbaren Ausführungsformen sind die aktiven Elemente
für Eigenspeisung
ausgelegt.
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Die
Erfindung wird nun im Rahmen der bevorzugten Merkmale und ihrer
Vorteile ausführlicher beschrieben,
indem auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen wird, die sie veranschaulichen:
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1 zeigt
schematisch, ein System zur gleichzeitigen Übertragung von Telefongesprächen und
von Daten auf einer Teilnehmerschleife;
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2 ist
eine schematische Darstellung des Niederfrequenzkanals des Weichenfilters
der 1 auf der Teilnehmerseite;
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3 stellt
die charakteristische Impedanz der Leitung in Form einer Referenzimpedanz
vom Typ Darlington dar;
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4 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Niederfrequenzkanals;
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5 ist
der Schaltplan einer Ausführungsform
des aktiven Entzerrers mit einem Operationsverstärker;
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6 ist
der Schaltplan eines aktiven Entzerrers mit einem Transformator;
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7 ist
der Schaltplan der Ausführung
des aktiven Entzerrers der 5 in symmetrischer
Schaltung;
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9 ist
die Kurve der Einfügungsdämpfung der
Baugruppe des Niederfrequenzkanals;
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10 ist
die Dämpfungskurve
im Durchlassband des Tiefpass-Entzerrfilters;
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und 11 ist
die Kurve der Reflexionsdämpfung
(im Englischen „return
loss") im Durchlassband
des Tiefpass-Entzerrfilters.
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Auf 1 ist
eine zu einem gewöhnlichen Fernsprechnetz
gehörende
Teilnehmerschleife zu sehen, die eine durch eine zweiadrige Leitung 2 mit einem
Teilnehmer 3 verbundene Fernsprechzentrale 1 umfasst.
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Die
Fernsprechleitung 2 ist vom gewöhnlichen Typ; sie besteht aus
zwei von einer Hülle
aus Polyethylen umgebenen Kupferdrähten, wobei diese beiden Drähte miteinander
verdrillt sind. Auf der Seite der Zentrale 1 werden in
die Leitung 2 zum einen von der eigentlichen Telefon zentrale 4 kommende
analoge Niederfrequenz-Telefonsignale und zum anderen von einem
Netz zum Datenaustausch 5, z. B. Internet, kommende digitale
Hochfrequenz-Daten eingespeist.
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Die
Teilnehmerseite verfügt über ein
herkömmliches
Telefon 6 und ein Gerät
zur Datenverarbeitung 7, das z. B. einen Personalcomputer
oder PC (für „personal
computer" im Englischen)
darstellt, der die digitalen Daten mittels eines Modems 8 empfängt.
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Die
analogen Telefonsignale und die analog modulierten digitalen Daten
fließen
gleichzeitig auf der Leitung 2. Zu diesem Zweck ist auf
jeder Seite der Teilnehmerschleife ein Verteiler vorgesehen, der einerseits
einen Hochfrequenzkanal 9 umfasst, der die digitalen Daten
an das Netz zur Datenübertragung 5 sendet
und, andererseits einen Niederfrequenzkanal 11, der die
analogen Niederfrequenz-Telefonsignale filtert.
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Da
der Fluss der Telefonsignale und der Daten auf der Leitung 2 in
beiden Richtungen erfolgt, haben die beiden Verteiler identische
Funktionen und Strukturen.
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Der
Hochfrequenzkanal für
digitale Daten 9 ist leicht zu realisieren; er umfasst
im Wesentlichen einen Hochpassfilter und eine Vorrichtung zum Multiplex-
und Demultiplexbetrieb mit Frequenzaufteilung. Das Durchlassband
der Leitung 2 ist nämlich
in ein Durchlassband für
Niederfrequenz, das Frequenzen unterhalb von etwa 3,4 kHz entspricht,
für die
analogen Telefonsignale, und in zwei Bänder mit Hochfrequenz aufgeteilt,
ein erstes von 30 bis 130 kHz, das einen Kanal mit niedriger Bitrate
für den
vom Teilnehmeranschluss übertragenen
Datenfluss bildet, und ein Band von 130 kHz bis 1,1 MHz, das einen
Kanal mit hoher Bitrate für
den vom Teilnehmer empfangenen Datenfluss bildet. Es ist an dieser
Stelle anzumerken, dass die angegebenen Werte diejenigen von France
Telecom sind und dass in anderen Ländern unterschiedliche Werte
gelten können.
Die beiden Durchlassbänder
für die
digitalen Daten und die beiden Kanäle mit niedriger und hoher
Bitrate liegen nebeneinander und werden durch den für Modems
vom Typ ADSL charakteristischen Multiplexbetrieb mit Frequenzaufteilung
getrennt.
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Der
Niederfrequenzkanal hingegen wirft zahlreiche Probleme auf.
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Zunächst müssen die
Eingangsimpedanz, d. h. die Impedanz auf der Seite der Leitung 2,
und die Ausgangsimpedanz, d. h. die Impedanz auf der Seite des Telefons 6,
dem Wert der charakteristischen Impedanz der Leitung 2 so
nah wie möglich
kommen. Diese Impedanz ist komplex, da sie einen kapazitiven Anteil
hat, und variiert folglich je nach Frequenz der übertragenen Signale.
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Diese
charakteristische Impedanz wird in der in 3 dargestellten
Form modelliert. Sie umfasst in Serienschaltung einen Widerstand
R2 und die Baugruppe eines parallel geschalteten
Kondensators C1 und eines Widerstandes R1. Die Werte der charakteristischen Impedanz
der Telefonleitungen sind je nach Land unterschiedlich. So haben
die Widerstände
R1 und R2 und der
Kondensator C1 für Frankreich die folgenden
Werte: 750 Ohm, 270 Ohm und 150 Nanofarad. Diese Werte sind hingegen
deutlich anders für
Deutschland, wo sie 820 Ohm, 220 Ohm und 115 Nanofarad betragen.
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Daraus
erwächst
also eine zusätzliche
Anforderung an den Niederfrequenzkanal 11, der leicht an
die charakteristische Impedanz der Telefonleitungen des Landes anpassbar
sein soll, in dem der Verteiler installiert wird.
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In 2 wurde
schematisch eine Ausführungsform
dieses Niederfrequenzkanals dargestellt. Die Beschreibung bezieht
sich auf den Niederfrequenzkanal des Verteilers, der beim Teilnehmer
installiert werden soll, aber die Struktur des Niederfrequenzkanals
des bei der Fernsprechzentrale installierten Verteilers ist selbstverständlich vergleichbar, da
die analogen Telefonsignale und die modulierten digitalen Hochfrequenz-Daten
auf der Leitung 2 in beiden Richtungen fließen.
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Ausgehend
von der Leitung 2 in Richtung des Telefons 6 finden
sich nacheinander ein erster Tiefpassfilter 21 gefolgt
von einem ersten aktiven Entzerrer 22, einem zweiten Filter 23 und
einem zweiten passiven Entzerrer 24.
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4 nimmt
teilweise den Inhalt der 2 wieder auf, wobei die Entzerrer
schematisch dargestellt werden.
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Der
zweite Entzerrer oder Ausgleicher 24 muss eine Ausgangsimpedanz
haben, die der charakteristischen Impedanz der Leitung so angepasst ist,
wie es in 3 schematisch dargestellt ist.
Dies wird realisiert, indem man eine Regel zugrunde legt, derzufolge
man die Baugruppe der beiden resistiven Komponenten R1 und
R2 der Referenzimpedanz der 2 in
eine charakteristische Impe danz Zc und eine Restimpedanz
aufteilt. Es versteht sich dann von selbst, dass die Struktur des
Entzerrers 24 diejenige einer parallel zu einem Widerstand
R geschalteten Induktivität
L ist. Die Werte der Induktivität
L und des Widerstandes R erfüllen
die folgenden Gleichungen: L = R1 2C1 undR = R1
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Dieser
passive Entzerrer umfasst einen Widerstand R, der eine gewisse Menge
an Energie verbraucht. Deshalb wird mittels des ersten Entzerrers Energie
in den Niederfrequenzkanal zurückgeführt. Der
erste Entzerrer ist dann ein aktiver Entzerrer, der durch die Serienschaltung
einer Kapazität
und eines Widerstandes, beide negativ, realisiert wird, was in Form
eines negativen Widerstandes -Rc und einer negativen Kapazität -Cc schematisch
dargestellt ist.
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Dies
wird erreicht, indem die Baugruppe der Widerstände R1 und
R2 der Referenzimpedanz in eine charakteristische
Impedanz in Parallelschaltung mit einer Restimpedanz aufgeteilt
wird. Die Werte des Widerstandes Rc und der Kapazität Cc entsprechen
den folgenden Bedingungen: Rc = – (R1 + R2)·(R2/R1) Cc = – R1 2·C1/(R1 + R2)2
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5 zeigt
eine Ausführungsform
der negativen Bauelemente des Entzerrers 22 im Detail.
Sie zeigt, dass man im Wesentlichen einen Operationsverstärker 31 verwendet,
der von einer aus einem in Serie angeordneten Wider stand Rc und
einem Kondensator Cc bestehenden Last gespeist wird.
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Wenn
in den Schaltungen des Niederfrequenzkanals ein starker Gleichstrom
fließt
und die Gleichspannung an den Klemmen der Schaltung der 5 über der
Versorgungsgleichspannung des Operationsverstärkers liegt, ist am Eingang
des Entzerrers 22 ein Transformator 32 vorgesehen,
wie es in 6 dargestellt ist.
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In
vielen Fällen,
in denen es insbesondere notwendig ist, die verschiedenen Schaltkreise
im Verhältnis
zur Masse zu symmetrieren, wird die Schaltung der 5 wie
in 7 veranschaulicht in einer symmetrischen Form
ausgeführt.
Man verwendet dann zwei Operationsverstärker 33, die jeweils von
einer aus einem Widerstand mit dem Wert Rc/2 und einem Kondensator
mit der Kapazität
2 Cc bestehenden Last gespeist werden.
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8 ist
ein ausführlicher
Schaltplan des Niederfrequenzkanals. Die Leitung wird schematisch durch
die Referenzimpedanz der 3 dargestellt.
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Man
sieht, dass der erste Filter ein passiver Tiefpassfilter mit einfacher
Struktur ist, nämlich
eine Siebkette mit einer Serieninduktivität L2 und einem parallel geschalteten
Kondensator C2. Dieser Tiefpassfilter wurde in symmetrischer Form
ausgeführt. In
dem dargestellten Spezialfall (normierte Impedanz von France Telecom)
beträgt
seine Grenzfrequenz etwa 10 kHz.
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Der
Entzerrer 22 hat die in 7 dargestellte Struktur.
Der zweite Filter 23 ist ein passiver Tiefpass filter mit
einer Struktur, die mit derjenigen eines elliptischen Filters vergleichbar
ist. Dieser zweite Filter ist von symmetrischer Struktur. Er umfasst
zwei in Serie geschaltete elliptische Glieder, die jeweils aus einem
Serienelement, das aus einer Induktivität L3 bzw. L5 parallel zu einem
Kondensator C3 bzw. C5 gebildet ist, und aus einer Kapazität zur Parallelverschiebung
C4 bzw. C6 bestehen.
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Der
zweite passive Entzerrer 24 entspricht der symmetrierten
Struktur der 4. Die Baugruppe des Niederfrequenzkanals
wird von dem Telefon gespeist, das schematisch in Form der Referenzimpedanz
der 3 dargestellt ist.
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Die
Werte der verschiedenen Bauelemente der Filter und der Entzerrer
werden ausgehend von den Werten der Elemente der beiden Entzerrer 22 und 24 optimiert,
indem man die Tatsache zugrunde legt, dass die durch den aktiven
Ausgleicher 22 eingespeiste Leistung nicht genau an den
Leistungsverbrauch in dem Ausgleicher 24 angepasst ist.
Zu diesem Zweck verwendet man einen Optimierungsalgorithmus mit
stochastischem Anteil (RSE-Algorithmus). Dieser Algorithmus besteht
darin, die verschiedenen Bauelemente auf rekursive Weise durch aufeinander
folgende Näherungen
zu definieren, und so eine Konvergenz zu erreichen. Dieser Algorithmus wurde
zur Optimierung von Weichenfiltern verbessert und angepasst.
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Wenn
alle Bauelemente der Schaltungen 21 bis 24 der 8 durch
diesen Algorithmus bestimmt wurden, hat man einen Weichenfilter
oder Verteiler erhalten, dessen Niederfrequenzkanal die in den 9 bis 11 dargestellten
Kennlinien aufweist.
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Um
den Weichenfilter gemäß der Erfindung an
ein Fernsprechnetz anzupassen, dessen charakteristische Impedanz
anders ist, verwendet man stets die Referenzimpedanz vom Typ Darlington
für die Berechnung
der Entzerrer und man berechnet leicht die Ausgangswerte (vor der
Optimierung) der verschiedenen Bauelemente, indem insbesondere der Dreisatz
angewendet wird.
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Man
sieht in 9, dass die Kennlinie praktisch
linear über
die Bandbreite verläuft,
die für
die analogen Telefonsignale notwendig ist, welche insbesondere das
Abschneiden bei 75 dB einhalten, wie es von bestimmten Verwaltungen
vorgeschrieben wird. Dieses Band ist auf 3,4 kHz begrenzt und man
sieht in 10, welche die Welligkeiten
im Durchlassband darstellt, dass der Frequenzgang für dieses
Band sehr gut ist.
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11,
welche die Kurve der Reflexionsdämpfung
darstellt, zeigt, dass die Anpassung an die charakteristische Impedanz
gut ist, da – jedenfalls
für das
Frequenzband von Telefonsignalen – diese Kurve zwischen 62 und
20 dB variiert, was deutlich über dem
Minimum von 14 dB liegt, das von den betreffenden Verwaltungen für Fernsprechnetze
gefordert wird.
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Es
zeigt sich also, dass die Erfindung die Ausführung eines Verteilers ermöglicht,
in dem zwischen den Niederfrequenzkanälen und den Hochfrequenzkanälen keine
Interferenzen auftreten. Außerdem
ist der Niederfrequenzkanal vollkommen an die charakteristische
Impedanz der Leitung angepasst, wie es von der Verwaltung gefordert
wird. Schließlich ist
die Struktur des Niederfrequenzkanals relativ einfach und folglich
leicht zu installieren, seine Herstellungskosten sind niedrig und
seine Lebensdauer wird ausreichend hoch sein.
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Die
Struktur des Verteilers nach der Erfindung ist derart, dass die
verschiedenen aktiven Schaltungen mit einer Eigenspeisung ausgeführt werden
können,
das heißt
ohne eine externe Stromversorgung zu erfordern, was einen vollständig unabhängigen Verteiler
ermöglicht,
dessen Betrieb nicht von einer externen Stromquelle abhängt.
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Dennoch
geht aus dem Vorangehenden hervor, dass die Erfindung nicht auf
die Ausführungsformen
begrenzt ist, die spezifisch im Verlauf der oben stehenden Beispiele
beschrieben wurden, und dass sie sich ganz im Gegenteil auf jede
Variante erstreckt, die über
gleichwertige Mittel ausgeführt
wird.