-
Verfahren zur gleichzeitigen telegraphischen Übertragung mehrerer
Nachrichten In der modernen Telegraphentechnik geht das Bestreben dahin, durch immer
höhere Ausnutzung der Übertragungswege die Wirtschaftlichkeit der Übertragung zu
steigern.
-
Es sind bereits seit langem Übertragungssysteme bekannt und in Gebrauch,
bei denen auf einem gemeinsamen Übertragungsweg mehrere, vorzugsweise tonfrequente
Wechselspannungen verschiedener Frequenzen einander überlagert werden, deren jede
mit den Stromsehrittfolgen einer telegr:aphisehen Nachricht moduliert wird. Die
Modulation jeder Trägerwechselspannung erfolgt bei Amplitudenmod.ulation in einer.
Stufe, also mit zwei Amplitu-denwerten, die beispielsweise durch eine bes-inimte
Sendrshannung und die Spannung o dargestellt sind. Beiden übertragenen Impulsen
ist die Form des Überganges von dem einen Amplitudenwert zum anderen, d. h. die
Steifheit der Impulsflanken, durch die. Bandbreite des Übertragungskanals und der
verwendeten Filter bedingt. Die für den Empfängerbetrieb zulässigen Impulsverzerrungen
bestimmen die Bandbreite jedes einzelnen Kanals und damit bei einer gegebenen Bandbreite
des gesamten Übertragungsweges die Anzahl der gleichzeitig möglichen Kanäle. Bei
Springschreiberbetrieb hat es sich als ausreichend 'herausgestellt, die Bandbreite
des einzelnen Wechselstromtelegraphiekanals so zu bemessen, daB noch das r,6fache
der Schrittfrequenz übertragen wird.
-
In neuerer Zeit sind auch Pulsmodulationsverfahren bekanntgeworden,
bei denen mit sehr kurzen Impulsen gearbeitet wird, deren Dauer klein im Vergleich
zum Impulsabstand ist, so daß auf diese Weise unter der Voraussetzung vollsynchronisierter
Sende- und Empfangsverteiler mehrere Nachrichten zwischeneinander gelagert werden
können. Hierfür sind allerdings entsprechend der sehr kurzen Dauer des Einzelimpulses
entsprechend breitbandige Übertragungswege
erforderlich, wie sie
z. B. in der modernen Ultrahochfrequenztechnik zur Verfügung stehen.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wechselstromtelegraphie über
Kanäle begrenzter Bandbreite und besteht darin, daß mehrere, vorzugsweise jedoch
nur zwei, miteinander synchronisierte Stromscihrittfolgen mit verschiedenen, im
Verhältnis ganzzahliger Potenzen der Zahle abgestuften Amplituden einem gemeinsamen
Träger auf moduliert und gleichzeitig über einen Einzelkanal übertragen werden.
-
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß zur Trennung
der überlagerten Stromschrittfolgen auf der Empfangsseite außer an sich bekannten
Mitteln zur Amplitudenunterscheidung gleichzeitig auch an sich bekannte Mittel zur
Mittexiabtastung .der Stromschritte angewendet werden.
-
Auf diese Weise kann, wie weiter unten dargelegt ist, die Ausnutzung
von Übertragungswegen erheblich gesteigert werden, ohne daß dabei die Bandbreite
des Einzelkanals gegenüber der bisher üblichen Bemessung geändert werden muß.
-
Die erfindungsgemäß erforderliche Synchronisierung der Stromschrittfolgen
kann sieh bei der in der Telegraphentechnik üblichen Zeichendarstellung durch Stromschritrkombinationen
auf die Gesamtlänge dieser Kombinationen erstrecken, etwa derart, daß bei Springschreiberzeichen
mit Hilfe von an sich bekannten fremdgesteuerten Speicherentzerrern oder synchron
gesteuerten Loehstreifensendern die gespeicherten, von verschiedenen Teilnehmern
kommenden Codezeichen mit zeitlich zusammenfallenden Startschritten weitergegeben
und unter Anwendung der durch die Erfindung gegebenen Amplitudenvorsehrift einem
gemeinsamen Träger aufmoduliert werden.
-
Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Synchronisierung
auf den einzelnen Stromschritt zu beschränken, d. h. nur für zeitliches Zusammenfallen
der einzelnen Schrittgrenzen der einander überlagerten Stromschrittfolgen zu sorgen.
Diese Vorschrift muß zur einwandfreien Amplitudenstufentrennung erfüllt sein und
ist in dem Begriff der Synchronisierung enthalten.
-
Das erfindungsgemäß für die überlagerten Stromschrittfolgen geforderte
Amplitudenverhältnis von ganzzahligen Potenzen der Zahl 2, d. h. i : 2 : q. usw.,
braucht nicht mathematisch genau eingehalten zu werden, doch wird die Amplitudentrennung
auf der Empfangsseite um so mehr erleichtert, je besser das Verhältnis dem theoretischen
Wert angenähert wird.
-
Ein einfaches Ausführungsbeispiel für die Überlagerung von zwei telegraphischen
Nachrichten mit verschiedenen Amplitudenstufen gemäß der Erfindung ist in Fig. i
schematisch dargestellt.
-
Mit St und S2 sind telegraphische Sendeeinrichtungen dargestellt,
die beispielsweise aus synchronisierten Lochstreifensendern oder aus den Weitersendeteilen
synchronisierter Entzerrer bestehen können. Die Synchronisierung ist durch die eingezeichnete
Verbindung mit einer die Synchronisierfrequenz abgebenden Stromquelle Sy, die für
eine Mehrzahl von Übertragungskanälen gemeinsam vorgesehen sein kann, angedeutet.
Durch jeden dieser. Sender wird entsprechend den auszusendenden Impulsfolgen ein
Senderelais SR, bzw. SR, betätigt, dessen zugehöriger Anker srl bzw. sr2
in der Ruhelage dargestellt ist. Werden diese Relais bei Aussendung von Nachrichten
impulsmäßig betätigt, so wird in der Zeichenlage des Ankers srl eine Stromquelle
B1 und in der Zeichenlage von sr, eine Stromquelle B2 eingeschaltet. Diese Stromquellen
liegen .hintereinander und können aus Gleichstromquellen gleicher Polarität, aber
verschieden hoher Spannung bestehen, so daß sich bei gleichzeitiger Umlegung der
beiden Sendeanker in die Zeichenlage die beiden Batteriespannungen addieren.
-
In Fig. 2 ist in der Reihe a eine Impulsfolge dargestellt, wie sie
beispielsweise durch den Anker des Senderelais SRl erzeugt wird. Die Impulsfolge
besteht aus mehreren annähernd rechteckigen Impulsen, deren Zähl und Länge durch
das angewendete Telegrap@hieverfahren und die jeweils ausgesendete Zeidhenkombination
gegeben ist. Die Impulse werden mit einer Amplitude A, erzeugt, die der Spannung,der
Stromquelle Bi entspricht. Es wird ferner angenommen, da:ß gleichzeitig durch den
Sender S2 über das Senderelais SR, eine mit der Impulsfolge a synchronisierte Impulsfolge
von der in Reihe b der Fig. 2 dargestellten Form ausgesendet wind. Diese Impulsfolge
wird durch den Relaisanker sr2 mit einer durch die !höhere Spannung,der Stromquelle
B2 gegebenen größeren Amplitude A2 wiedergegeben. Da die beiden Senderelaisanker
srl und sr, und die Stromquellen Bi und B2 hinterei:nandergeschaltet sind, entsteht
eine Überlagerung der beiden Impulsfolgen in der in Fig. 2 durch die Kurve c @dargestellten
Form. Man erkennt, daß diese Überlagerung vier verschieden hohe Amplituden, also
drei Amplitudenstufen i, 2 und 3 aufweist. Wählt man die Amplitude A2 doppelt so
groß wie die Amplitude At, sosind die drei gemäß Kurve c möglichen Amplitudenstufen
gleich groß.
-
Diese neue zusammengesetzte Impulsfolge mit mehreren Amplitudenstufen
wird nun nach Umformung durch eine Umsetzereinridhtung U in Form entsprechend modulierter
Wechselstromimpulse auf eine Leitung L oder einen sonstigen übertragungsweg übertragen.
Der Umsetzer kann beispielsweise aus einem Modulator bestehen, der in bekannter
Weise eine Tonfrequenzspannung mit den von den Sendern kommenden Impulsen moduliert,
und zwar derart, daß die verschieden hohen Amplituden, auf die es bei dein Verfahren
gemäß der Erfindung ankommt, einwandfrei unterscheidbar bleiben. Durch Sendefilter
SFi (kann eine mehr oder weniger große Abflachung der Impulsflanken und eine Verringerung
der Bandbreite des beanspruchten Übertragungskanals inbekannter Weise erreicht werden.
-
Der Umweg über einen Modulator, der ,die von Gleichstromquellen Bi
und B2 gelieferten verschieden hohen Gleichspannungen in entsprechend amplitudenmodulierte
Wechselspannungen umwandelt, ist keineswegs erforderlich. Es kann durch die
Relaisschalter
sri und sr, oder durch bekannte kontaktlose Tastschaltungen auch eine direkte Tastung
einer Tonfrequenzspannung in den gewünschten Amplitudenstufen vorgenommen werden.
-
Auf der Empfangsseite werden die ankommenden, erforderlichenfalls
durch ein Filter EFl ausgesiebten Impulsfolgen beispielsweise durch einen Rüchumsetzer
R, der ein an sich ibekannter Demodulator sein kann, in entsprechende Gleichstromimpulse
verwandelt und unter Anwendung einer ebenfalls an sich bekannten Mittenabtastung
beispielsweise einer Gruppe von Empfangsrelais ERI, ER2 und ER, zugeführt. Die Mittenabtastung
kann ,durch Schaltmittel erfolgen, die indem Rückumsetzer R enthalten sind und durch
eine lokale oder vom Sender kommende Synchronisierspannung gesteuert werden. Im
Schaltungsbeispiel ist angenommen, daß eine von der Synchronisierstromquelle J#y
des Senders abgezweigte Steuerspannung über Sendefilter SF 2 den Nachrichten auf
der Leitung L überlagert und auf der Empfangsseite nach Aussiebung durch ein Filter
EF2 zur Steuerung eines die Abtastimpulse für die Mittenabtastung erzeugenden Impulsgenerators
I benutzt wird. Auf diese Weise wird der Relaisgruppe ERl, ER., ER, eine
Impulsfolge zugeführt, die in ihrer Wirkung der ursprünglichen Summenkurve c mit
rechtwinkligen Amplitudenstufen entspricht und nur zeitlich um ein bestimmtes Maß
gegenüber der Sendekurve verschoben ist.
-
Zur Amplitudentrennung müssen nun die drei Empfangsrelais ERl, ER2,
ER3 in irgendeiner Weise mit unterschiedlicher Ansprechempfindlichkeit arbeiten.
In dem dargestellten Beispiel ist angenommen, daß es sich um drei gleichartige Relais
handelt, die gleiche Ansprechstromstärke besitzen, jedoch ist für das Relais ER
2 die Ansprechstromstärke gegenüber dem Relais ER1 durch einen parallel geschalteten
Widerstand W auf den doppelten Wert und die des Relais ER, gegenüber ER1 durch beispielsweise
zwei Parallelwiderstände W auf den dreifachen Wert heraufgesetzt. Werden nun die
drei auf diese Weise erreichbaren unterschiedlichen Ansprechstromstär'ken der drei
Relais den möglichen Amplitudenstufen der ankommenden Impulsfolge gemäß Kurve c
in Fing. 2 in richtiger Weise angepaßt, so ergibt sich, daß bei der niedrigsten
Amplitude (Impulsspannung o oder angenähert o) keines der Relais, bei der Amplitude
i nur das Relais ERi, bei Amplitude 2 außerdem das Relais ER, und bei der Amplitude
3 alle drei Relais ansprechen.
-
Betrachtet man jetzt die Arbeitsweise der .drei Relais und ihrer Anker
erl, er2 und er, beim Empfang der durch Kurve c in Fig. 2 dargestellten Impulsfolge,
so ergibt sich, daß das Relais ER1 gemäß Kurve d in Fing. 2 immer anspricht, wenn
mindestens die erste Amplitudenstufe erreicht wird, also wenn von der Nachricht
a oder b oder von @beiden ein Zeichenimpuls vorhanden ist. Das Relais
ER2 spricht gemäß Kurve e nur an, wenn mindestens die zweite Amplitudenstufe erreicht
ist, gibt also lediglich den Impulsverlauf der Sendekurve b wieder. Das Relais ER,
dagegen spricht nur an, wenn die dritte Amplitudenstufe über-,schritten wird, also
gleichzeitig Zeichenimpulse sowohl in der Nachricht a als auch in der Nachricht
b enthalten sind. Beim Empfang der Impulsfolge gemäß Kurve c (hat also das Ansprechdiagramm
des Relais ER, die in Kurve f dargestellte Form.
-
Der mit dem Sender .S2 korrespondierende Empfänger E2 kann somit unmittelbar
an den Kontakt des Relais ER2 angeschlossen werden, !beispielsweise wie dargestellt
in der Weise, daß jeweils bei Betätigung dieses Relais in der Zeichenlage des Ankers
er, eine Stromquelle B3 an den Eingangskreisdes Empfängers E2 angeschlossen wird.
-
Für den Betrieb des Empfängers El, der die Nachrichten des Senders
S1 aufnehmen soll, ist eine etwas kompliziertere Schaltung erforderlich, die durch,die
Kurven g und h in Fig. 2 näher erläutert ist. Die richtige Wirkung
ergibt sich dann, wenn von den Ansprechzeiten des Relais ER, gemäß Kurve d die Ansprechzeiten
des Relais ER 2 gemäß Kurve e abgezogen (Differenzkurve g) und hierzu die Ansprechzeiten
.des Relais ER, gemäß Kurve f hinzugefügt werden. Es ergibt sich dann -die resultierende
Ansprechkurve h, die mit der durch das Senderelais SRi erzeugten Sendekurve a übereinstimmt.
Diese Subtraktion und Addition der Relaiswirkungen wird durch die in Fig. i beispielsweise
dargestellte Reihen- und Parallelschaltung der Empfangsrelai,skontakte erl,
er, und er" erreicht.. In dem durch die Stromquelle B3 gespeisten Eingangsstromkreis
des Empfängers Ei entsteht .durch diese Schaltung eine Impulsfolge von der durch
Kurve h in Fig. 2 .dargestellten Form, .die, wie bereits gesagt, der vom Sender
S1 erzeugten Impulsfolge entspricht. Die in Fig.2 dargestellten Ansprechkurven brauchen
nicht unbedingt die gezeichneten rechteckigen Formen zu besitzen. Es genügt, wenn
jeweils die einzelnen Stromschritteinsätze exakt und in der richtigen zeitlichen
Lage wiedergegeben werden. Auch auf der Empfangsseite .muB die Amplitudenunterscheidung
nicht unbedingt in der dargestellten Weise in einem Gleichstromkreis erfolgen. Durch
Anwendung geeigneter Schaltmittel, z. B. -von Röhren oder gesteuerten Gleichrichtern,
kann die Amplitudentrennung auch im Wechselstromkreis oder gleichzeitig mit der
Demodulation vorgenommen werden.
-
In sinngemäß entsprechender Weise können auch mehr als zwei telegraphische
Nachrichten mit verschieden hohen Amplitudenstufen einander überlagert und auf der
Empfangsseite wieder voneinander getrennt werden. Auch hierbei ist es selbstverständlich
möglich, auf der Empfangsseite andere bekannte Mittel zur Amplitu.denunterscheidung,
beispielsweise Röhrenanordnungen, anzuwenden und die den verschiedenen Empfängern
zugeordneten Empfangsrelais von vornherein nur mit den jeweils zugeordneten, bereits
ausgesiebten Impulsgruppen zu betätigen.
-
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung besteht jedoch gerade in
der Beschränkung auf zwei mit unterschiedlichen Amplitudenstufen überlagerte
Stromschrittfolgen,
da bei dieser Anzahl ohne Erhöhung der üblichen Kanalbreite oder des Aufwandes für
Filter und Entzerrung.seinrichtungen ein Optimum an Leitungsausnutzung erreicht
werden kann, wie die nachfolgende Überlegung zeigt.
-
Bezeichnet man mit n die Zahl der gleichzeitig zu übertragenden Stromschrittfolgen,
so sind 2n- i verschiedene Amplitudenstufen erforderlich, um auf der Empfangsseite
die einander überlagerten Stromschrittfolgen wieder voneinander trennen zu können.
Bei der Überlagerung können, wie bereits die Kurve c @in Fig. 2 zeigte, Sprünge
verschiedenster Art vorkommen. Die Extremfälle, die für eine rechnerische Behandlung
des Problems am wichtigsten sind, sind in Fig. 3 und ¢ dargestellt. Bei einem Impulsverlauf
nach Fig.3 springt die Amplitude für die Zeitdauer tp, die der kleinsten
In dieser Formel bedeutet Si den Integralsinus, der definiert ist durch:
In Fig.5 und 6 sind insgesamt vier nach dieser Gleichung berechnete Einschwingkurven
für verschiedene Kanalbreiten d f gezeichnet. Man er-
wobei für si .die Beziehung gilt:
Setzt man nun bei der Abtastung des ankommenden Impulses voraus, daß ein Amplitudenwert
oberhalb der !halben Höchstamplitude als voller Amplitudenwert und eine Amplitude
unterhalb der halben Höchstamplitude als Amplitude o bewertet wind, so gibt,die
Gleichung
gerade die Grenze für den Wert an, der noch als o bewertet wird. Der Zusammenhang
zwischen der Anzahl n der Stromsehrittfolgen und der Frequenzbandbreite des Übertragungskanals
d f ist daher nach den obigen Gleichungen durch die Beziehung
gegeben, .die in Fig. 7 durch,die Kurve i dargestellt ist. Hiernach könnte theoretisch
für bestimmte Werte von d f tp, z. B. für .den Wert 1,23, die
Anzahl n der Stromschrittfolgen unendlich groß werden. Dies sind die in Fig. 6 gezeichneten
Sonderfälle der Einschwingkurven, deren Amplitudenwerte in der Schrittmitte genau
gleich o sind. Technisch haben jedoch diese Sonderfälle keine möglichen Schrittlänge
entspricht, von dem größtmöglichen Wert 2n-iauf den Wert o und nimmt am Ende des
Schrittes zur Zeit t = tp plötzlich wieder für längere Zeit den Wert 2n-i
an. Diese Impulsform wird als Stoßfunktion bezeichnet. Ein anderer für die Berechnung
'besonders charakteristischer Übergang ibesteht gemäß Fig.4darin, daß die Amplitude
von ihrem größten Wert 2n-1 im Zeitpunkt t = o@ plötzlich für längere Zeit auf den
Wert o .springt oder umgekehrt. Dieser Impulsverlauf wird mit dem Begriff Sprungfunktion
bezeichnet.
-
Für die Stoßfunktion gemäß Fig.3 ergibt sich der Amplitudenverlauf
auf der Empfangsseite nach Durchlaufen eines Kanals, beispielsweise eines Wechselstromtelegraphiekanals,
mit der Bandbreite d f aus: kennt, daß alle Kurven für die Mitte des Schrittes,
also für den Zeitpunkt t = 0,5 tp, einen Extremwert haben. Während in Fig.
6 @die Kanalbreiten gerade so gewählt sind, daß die Amplitude in der Schrittmitte,
also zur Zeit t = 0,5 tp, den Wert o hat, sind bei ,den Kurven der Fig. 5
die Amplituden zur Zeit t = o,5 tp Höchstwerte.
-
Im allgemeinen berechnet sich die Amplitude in der Schrittmitte, also
zur Zeit t= 0,5 t., aus der oben angegebenen Amplitudenigleichung zu Bedeutung,
weil bei anderen Zeichenfolgen, die unsymmetrisch zur Schrittmitte liegen, von einem
Nullwert für den Zeitpunkt t = 0,5 t, 'keine Rede mehr sein kann. Ferner
ergibt die theoretische Berechnung noch eine weitere Begrenzung, wie nachfolgend
gezeigt wird. Bei dem anderen obenerwähnten Extremfall, der sogenannten Sprungfunktion,
tritt das nach .dem Entdecker G i b b s bezeichnete Phänomen auf. Dieses besagt,
daß die Annäherungskurve der unstetigen Sprungfunktion nach Fig.4, die durch das
Frequenzspektrum des Integralsinus mit endlichem Frequenzbereich dargestellt wird,
immer um denselben Betrag überschwingt, gleichgültig, wie breit das Frequenzband
bemessen ist. Diese Annäherungskurve ist in Fig. 8 als dünn gezogene Linie .gezeichnet,
während die stark ausgezogene rechteckige ,inie die theoretische Sprungfunktion
gemäß Fig. ,4 darstellt. Das größte Überschwingen vor und hinter dem Sprung beträgt
etwa 9% der gesamten Sprunghöhe. Da diese, wie oben ausgeführt, bei n gleichzeitigen
Stromschrittfolgen 2n- I ist, so ist mithin die Amplitude der durch das Überschwingen
gegebenen Störung gleich 0,09 (2 n- i). Legt man der weiteren Berechnung die gleiche
Bedingung zugrunde, die auch für die obige Berechnung der Stoßfunktion angenommen
wurde, so darf diese Störung durch das Überschwingen höchstens gleich dem Wert
0,5 sein, damit sie bei der A;btastung noch als o gewertet wird. Für eine
Anzahl n von gleichzeitig übertragenen Stromschrittfolgen
ergibt
sich daher als Bedingungsgleichung
woraus durch Umrechnung für n die Formel
entsteht. Trägt man diesen Wert für n in Fig. 7 ein, so ergibt sich die mit 2 bezeichnete
Linie parallel zur Ordinatenachse durch den Punkt n = 2,7 auf der Abszissenachse.
Diese Kurve 2 besagt, daß für einen Amplitudenübergang in Form der Sprungfunktionder
Wert n für die Anzahl der gleichzeitig übertragbaren Stromschrittfolgen theoretisch
unterhalb 2,7 liegen muß. In der Praxis ist allerdings auch noch mit einer Brauchbarkeit
der Zahl n = 3 zu rechnen.
-
Eine dritte Grenzlinie ergibt sich durch düe Überlegung, daß bei regelmäßigen
Wechseln, d. h. bei aufeinanderfolgenden Stromschritten abwechselnder Art, z. B.
Strom und Kernstrom, mindestens die Grundfrequenz dieser Wechsel übertragen werden
muß. Das bedeutet, daß die Bandbreite des Übertragungskanals mindestens gleich der
doppelten Schrittfrequenz bemessen sein muß. In Fig.7 ist diese Grenzlinie durch
eine Parallele zur Abszissenac'hse im Abstand d f # tp = i gegeben
(Kurve 3).
-
Betrachtet man nun die drei Grenzkurven, i für die Stoßfunktion, 2
für die Sprungfunktion und 3 für regelmäßige Wechsel, gleichzeitig nebeneinander,
so ergibt sich .die durch Schraffur kenntlich gemachte zusammengesetzte Kurve, innerhalb
der theoretisch für verschiedene Kanalbreiten d f die Anzahl n der mit verschiedenen
Amplituden überlagerten Stromschrittfolgen liegen muß. Insbesondere läßt die Figur
erkennen, daß bei Verwendung von Kanälen mit einer für die Übertragung des i- bis
iAfachen Wertes der Schrittfrequenz bemessenen Frequenzbandbreite, d.h. d
f t, = i bis 1,6, also z. B. d f = 50 bis 80 Hz bei
einer Schrittf requenz von 25 Hz entsprechend einer Telegraphiergesdhwindigkeit
von 5o Band, zwei Stromschrittfolgen nach dem Amplitudenstufenverfahren gemäß der
Erfindung einwandfrei unterscheidbar übertragen werden können, ohne,daß auf der
Empfangsseite nach der Amplitudentrennung für die Weiterverarbeitung der Stromschrittfolgen
besondere Maßnahmen erforderlich sind. Praktisch läßt sich also durch Anwendung
der Erfindung die Ausnutzung von \Vechselstromtelegraphiesystemen ohne prinzipielle
Änderung im Aufbau der Systeme auf etwa das Doppelte steigern.