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hlachrichtenübertragungsanlage für beide Verkehrsrichtungen mit fremdgesteuerten
Schaltern zur abwechselnden Öffnung beider Verkehrswege Zum Übergang von Vierdrahtnachrichtensystemen
(Draht-, Kabel- oder Funklinien) auf Zweidrahtsysteme (Draht- oder Kabellinien)
werden bekanntlich Gabelschaltungen benutzt, die darauf beruhen, daß der Wellenwiderstand
der Zweidrahtleitung durch eine Nachbildung dem im ganzen zu übertragenden Frequenzbereich
nach Betrag und Phase nachgebildet wird. In einer Brückenschaltung, deren einer
Zweig die Zweidrahtleitung, deren anderer die Nachbildung enthält, wird eine Entkopplung
der Senderichtung des Vierdrahtsystems von der Empfangsrichtung erzielt. Die Nachteile
dieser unter Verwendung des Brückenprinzips arbeitenden Gabelschaltung bestehen
im wesentlichen darin, daß es praktisch unmöglich ist, den genauen Frequenzgang
des Wellenwiderstandes der Zweidrahtleitungen und dessen zeitliche Schwankungen
mit der erforderlichen Genauigkeit nachzubilden.
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Weiter ist es bekannt, durch sprachgesteuerte Schalter (Echo-, und
Rückkopplungssperren) eine gegenseitige Verriegelung der Sende- und Empfangsrichtung
derart zu bewirken, daß jeweils nur einer der beiden Wege geöffnet ist. Hierdurch
werden Rückkopplungen zwischen Sende- und Empfangsweg auch bei mangelhafter Entkopplung
der Gabelschaltung verhindert. Diesen Sperren haften jedoch die Nachteile aller
sprachgesteuerten Schalteinrichtungen an; sie sind empfindlich gegen Geräusche
und
ermöglichen nur ein Wechselsprechen an Stelle von Gegensprechen, was eine gewisse
Sprechdisziplin der Teilnehmer erforderlich macht.
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Um die Nachteile sprachgesteuerter Schalter zu umgehen, ist es bereits
bekannt, fremdgesteuerte Schalter zur abwechselnden Öffnung der beiden Wege zu verwenden.
Bei den bekannten Anordnungen dieser Art schließen sich die Öffnungs-und Schließungszeiten
der beiden Wege unmittelbar aneinander an, so daß ein Weg stets geöffnet ist. Da
nun jede Stoßstelle der Zweidrahtleitung die Sendeimpulse reflektiert und entsprechend
den Impulslaufzeiten der Leitung diese Rückimpulse dann an der Übergangsstelle zur
Vierdrahtleitung wieder ankommen, wenn der Empfangsweg, längere oder kürzere Zeit
offen ist, kann dadurch auch keine vollkommene Entkopplung des Sende- und Empfangszweiges
erzielt werden.
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Gemäß der Erfindung wird dagegen eine Rückkopplung auch durch reflektierte
Impulse praktisch dadurch vermieden, daß bei einer solchen Nachrichtenübertragungsanlage
mit fremdgesteuerten Schaltern zur abwechselnden Öffnung der beiden Wege die Öffnungszeit
für den Sende- bzw. Empfangsweg kleiner als die Hälfte der ImpulswiederhoIungszeit,
insbesondere klein gegen diese Zeit ist, z. B. den zehnten Teil dieser Zeit beträgt.
Der wesentliche Unterschied dieser Anordnung gegenüber den vorbekannten besteht
dementsprechend darin, daß der Empfangsweg erst nach einer bestimmten Zeitdauer
nach dem Ende des vorausgehenden Sendeimpulses geöffnet wird. Es gibt also verhältnismäßig
große Übertragungszeiten, in denen beide Kanäle gesperrt sind. Die Öffnungsdauer
für den Sende- bzw. Empfangsweg kann gleich oder verschieden gewählt werden. Die
Schaltfrequenz soll mindestens das Doppelte der höchsten zu übertragenden Frequenz
des Nachrichtensystems sein, damit eine ausreichende Verständlichkeit der L`bertlagung
gewährleistet ist.
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Damit die Schaltfrequenz sich im Übertragungsweg nicht störend bemerkbar
macht, wird an der Zweidrahtseite der Schaltgabel ein Tiefpaß mit einer Grenzfrequenz,
die der höchsten zu übertragenden Frequenz des Nachrichtensystems entspricht, vorgesehen.
Dies ist auf jeden Fall zu empfehlen, da im allgemeinen die anzuschließende Zweidrahtleitungkeine
ausgesprochene Grenzfrequenz aufweist.
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An Hand der Abbildungen soll der der Erfindung zugrunde gelegte Gedanke
näher erläutert werden. Die Abb. i veranschaulicht die Arbeitsweise der fremdgesteuerten
Schalteinrichtung. Mit S sind die Impulse, die den Sendeweg öffnen, mit E die Impulse,
die den Empfangsweg öffnen, bezeichnet. Die Impulsdauer ist Ti, der zeitliche Abstand
zweier Impulse im Sende- oder Empfangsweg ist T3. Die Zeit zwischen einem Sendeimpuls
S und einem Empfangsimpuls .E ist mit To bezeichnet.
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Die Abb. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele der neuen Übertragungsanlage.
Die Zweidrahtseite ist mit A bezeichnet. Zwischen der Schaltgabel Sch, bzw.
Sch, und der Zweidrahtseite A ist ein Tiefpaßfrlter P eingeschaltet. Die
Vierdrahtseite ist mit C (Senderichtung) und B (Empfangsrichtung) bezeichnet. Bei
der Abb. 2 ist ein einpoliger Schalter, bei der Abb. g ein zweipoliger Schalter
benutzt. Die Anordnung nach Abb. 3 läßt sich besonders einfach mit Elektronenröhren,
die abwechselnd gesperrt und geöffnet werden, ausführen.
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Zur Untersuchung der Wirkungsweise der fremdgesteuerten Schalter soll
zuerst die Wirkung eines Sendeimpulses in Richtung C- A auf den Tiefpaß P
betrachtet werden. Da die Rückwirkungen innerhalb der Schaltgabel nur von den Laufzeiten
und Nachwirkungen an der Zweidrahtseite abhängen und deren Größe wiederum lediglich
von der Grenzfrequenz der Leitung, ist es ausreichend, allein den Einfluß des Tiefpaßfilters
zu berücksichtigen, ohne daß dadurch unzulässige Vernachlässigungen gemacht werden.
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Der Strom am Eingang des Tiefpasses für einen Einheitsstoß der Spannung
U = -{- i zur Zeit t = 0 ist
wobei W =Wellenwiderstand des Tiefpasses, e = cukt = normierte Zeit, J. (e) = Besselsche
Funktion erster Art der Ordnung Null. DenVerlauf von I, - W = f (e)
nach Gleichung
(i) zeigt Abb.4 für Werte von 0... B. Die Kulven stellen den Strom I am Filtereingang
als Funktion von e dar. Die Ordinatenwerte sind mit
zu multiplizieren.
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Ein Impuls der Dauer T, kann aufgefaßt werden als Überlagerung eines
Einheitsstoßes U = + i zur Zeit e = 0 mit einem gleich großen, aber entgegengesetzt
gerichteten Einheitsstoß U = -i, der zur Zeit et - u)kti einsetzt. Der hierbei im
Filtereingang erzeugte Strom I2 ist
In Abb. 4 ist I2 - W = f (e) aufgetragen für ei = 1,5 sowie I3
- W = F (e) für ei = 0,3 nach Gleichung (2).
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Aus Gleichung (2), die für einen verlustfreien Tiefpaß gilt, ergibt
sich, daß für Amplitude, Richtung und Frequenz des Ausklingvorganges, der nach Beendigung
des Impulses (ei = 0,3 bzw. i;5) einsetzt, lediglich die Lage der Grenzfrequenz
cuk maßgeblich ist. Auf diesem Umstand, insbesondere der Tatsache, daß der erste
Nulldurchgang des Ausklingvorganges bei e = 2,56 für I3 - W bzw. e = 3,i9 für 1z
- W,
unabhängig von den Eigenschaften der angeschlossenen Leitung, nur von
der Grenzfrequenz des Tiefpasses bestimmt wird, beruht die Wirkungsweise der neuen
Schaltgabel.
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Für verlustbehaftete Tiefpaßfilter gilt (s. K. W. Wagner, Operatorenrechnung)
dies bezüglich des Nulldurchganges ebenfalls, nur wird Amplitude und Richtung durch
zwei Faktoren a und b bestimmt, die vbn der Art der Filterverluste abhängen,
so daß für den Einheitsstoß ein Strom
am hiltereingang erzeugt wird. Diese Gleichung (3)
läßt ebenfalls
erkennen, daß die Lage der Nullstellen tatsächlich nur von e = unkt abhängt.
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Die Gleichung (2) für den Ausklingvorgang gilt nur für einen Impuls
der Dauer ei. Bei der Schaltgabel mit fremdgesteuerten Schaltern liegt aber der
Fall vor, daß die Sendeimpulse mit dem Abstand T3 aufeinanderfolgen. Es wurde deshalb
untersucht, wie der Stromverlauf des Ausklingvorganges ist, wenn der zur Zeit e
= o einsetzende Impuls der Dauer ei = 0,3 das Filter nicht stromlos vorfindet, sondern
den Ausklingstrom eines bzw. zweier um beispielsweise je es = 3.0 vorausgehender
Impulse. Die Abb. 5 gibt den Stromverlauf (I3 - W) H-1 = f (e) für
den Sendeimpuls bei stromlosem Filter wieder sowie (I3 ' W) H=z
= f (e) und (I3 - W)H-a= f (e) für einen bzw. zwei vorausgehende
Impulse. Es zeigt sich, daß ein vorausgehender Impuls tatsächlich eine Verschiebung
des Nulldurchganges zur Folge hat, daß dagegen schon zwei vorausgehende Impulse
einen Stromverlauf ergeben, der seinen ersten Nulldurchgang praktisch bei der gleichen
Abszisse besitzt wie ein einzelner Impuls nach Gleichung (2). Die Abszisse des Nulldurchganges
bei einer periodischen Impulsfolge im Abstand dürfte demnach in unmittelbarer Umgebung
der Nullabszisse für I3 - W = f (e) nach Gleichung (2) liegen; ebenso wird
die Richtung des Ausklingstromes dem Verlauf von 13 - W = f (e) am Nulldurchgang
entsprechen.
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Der Ausschwingvorgang einer Impulsfolge, verursacht durch das Tiefpaßfilter,
zeigt also, daß mit den bisher bekannten fremdgesteuerten Schaltanordnungen eine
Entkopplung zwischen dem Sende- und Empfangskreis tatsächlich nicht erzielt werden
kann. Verwendet man dagegen Impulsbreiten ei, die kurz gegen die Impulsfolgezeit
es sind, so kann man erreichen, daß der Ausschwingstrom des vorangehenden Sendeimpulses
bereits einen Nulldurchgang ausgeführt hat, bis der nachfolgende Sendeimpuls einsetzt
(Abb. q.). Dieser zwischen je zwei Sendeimpulsen liegende Nulldurchgang der Ausschwingströme
wird dazu benutzt, um kurzzeitig den Empfangskreis zu öffnen.
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Benutzt man zum Beispiel einen Impulsabstand von s = 3,0 und
eine Impulsdauer für die Sendeimpulse von ei = 0,3, so muß, wie aus Abb. q. ersichtlich,
die Öffnung des Empfangskanals bei e, = 2,56 vorgenommen werden. Zweckmäßigerweise
macht man die Öffnungsdauer des Empfangskanals ebenfalls ei = 0,3, dann wird die
Empfangsbereitschaft von e, 0,15 = 2,41 ... 2,71 reichen. Der Restbetrag,
der vom Sendezweig in den Empfangszweig übertreten kann, ist dabei dem Betrag nach
etwa 1o °/o des Sendeimpulses. Sollte durch diesen Restbetrag noch eine Selbsterregung
des Vierdraht- oder Zweidrahtsystems erfolgen, so kann diese immer dadurch verhindert
werden, daß der Zeitpunkt e, für die Öffnung des Empfangskanals um einen geringen
Betrag variiert wird, wodurch die Phase der Rückwirkung um 18o° geändert werden
kann.
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Die Grundform der Schaltgabel ist in Abb. 2 dargestellt. Dabei kann
der Schalter Sch 1 mit der geeigneten Schaltfunktion S (t) ein trägheitslos
arbeitendes Organ sein, z. B. Photozellenschalter, Elektronenschalter usw. Am einfachsten
wird nach Abb. 6 die eigentliche Schaltgabel mit je einem Verstärker für die Sende-bzw.
Empfangsrichtung kombiniert und durch eine Steuerfunktion S (t) die Sperrung der
Verstärker zu geeigneten Zeiten für die Impulsdauer aufgehoben. Soll verhindert
werden, daß die Steuerfrequenz in die Vierdrahtleitung bei B eintritt, so kann hinter
den Empfangsverstärker ein weiterer Tiefpaß P geschaltet werden.
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Um die Zweidrahtleitung möglichst reflexionsfrei abzuschließen und
um die Schaltgabel ohne große Umstellung in normalen Gabelpunkten einschalten zu
können, ist die Kombination mit einer normalen Abgleichgabelschaltung nach Abb.
7 zweckmäßig. In dieser Schaltung werden durch die Schaltgabel zusätzlich die Vierdrahtwege
nach der Steuerfunktion S (t) geöffnet bzw. gesperrt und erhöhen die durch die normale
Gabelschaltung erzielte Rückflußdämpfung. Die Einschaltung eines Tiefpasses P in
die Zweidrahtleitung hält die Steuerfrequenz von der Zweidrahtleitung ab. Gegebenenfalls
ist noch vor die Nachbildung N ein Tiefpaßfilter P zu schalten.
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Die Steuerspannung mit der Schaltfunktion S (t)
wird bei den
Schaltungen nach Abb. 6 und 7 aus entsprechenden Impulsgebern entnommen, wobei gegebenenfalls
getrennte Impulserzeuger für den Sende-bzw. Empfangszweig vorzusehen sind.
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Sämtliche Grundformen von Schaltgabeln können mit einer Einrichtung
zur Anzeige oder selbsttätigen Einstellung des Abstandes To zwischen Sende- und
Empfangsimpuls (Abb. 1) versehen werden. Zu diesem Zweck wird an einer geeigneten
Stelle des Vierdrahtempfangszweiges, z. B. bei B, ein fremdgesteuerter, mit den
Öffnungsimpulsen synchron laufender Schalter M vorgesehen, z. B. wie in Abb. 8 zwei
gesperrte Verstärker. Wird die Steuerfunktion M (t) so gewählt, wie Abb.
g zeigt, so daß bei Beginn des Öffnungsimpulses im Empfangszweig [S (t) = +1] gleichzeitig
M (t) = +1 den einen Meßzweig für die Dauer 1/2 ei einschaltet und anschließend
den zweiten Meßzweig öffnet, so kann in der Meßbrücke MB ein Vergleich der
integrierten Impulse durchgeführt und angezeigt werden. Durch Regelung des Abstandes
To (Abb. 1) zwischen Sende- und Empfangsimpuls kann die Gabelrückwirkung durch Einstellung
der Impulsmeßbrücke auf Null oder einen anderen zweckmäßigen Wert meßbar geregelt
werden.
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Wird an Stelle oder parallel zu dem Anzeigeinstrument eine Steuereinrichtung
für mechanische oder elektrische Beeinflussung der Impulsfolgezeit To vorgesehen,
so kann eine selbsttätige Gabeleinstellung auf den Wert Null oder einen vorgegebenen
Wert der Meßbrücke erreicht werden.
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Für den Anschluß von Funksprechlinien (Vierdrahtsysteme) an normale
Zweidrahtfernsprechnetze ergeben sich bekanntlich sehr große Schwierigkeiten wegen
der schwankenden Dämpfung des Funkweges. Damit schwankt nämlich die Restdämpfung
der Vierdrahtstrecke zwischen den beiden Fernämtern bzw. Teilnehmern, was wegen
der geringen Übersprechdämpfung in den üblichen Zweidraht-Vierdraht-Gabelschaltungen
zu einer Selbsterregung der Funksprechlinie führen kann.
Wird an
den Übergangsstellen vom Zweidraht- zum Vierdrahtsystem eine Schaltgabel benutzt,
so kann jeder der Vierdrahtwege für sich entsprechend den Übertragungsverhältnissen
der Funklinie geregelt werden, ohne daß auf Einhaltung einer bestimmten Restdämpfung
geachtet zu werden braucht. Dabei werden, da sich der ganze Impulsvorgang innerhalb
der Schaltgabel abspielt, keine anderen Forderungen an die Funk- und an die Drahtlinie
gestellt als bei Übertragung normaler Gespräche. Die Schaltgabel kann ohne weiteres
an beiden Enden des Funkvierdrahtkreises angewendet werden; die Übertragung einer
Synchronisierung ist unnötig, da die Steuerfrequenzen der beiden Schaltgabeln beliebig
sein können.
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Angesichts der -Nachbildungsschwierigkeiten bei der Verwendung von
Brückengabelschaltungen, die bekanntlich mit steigender Bandbreite des Übertragungskanals
außerordentlich zunehmen, wurden bisher derartige Gabelschaltungen nur für Niederfrequenzkanäle
angewendet.
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Durch die neue - Schaltgabel, deren Übersprechdämpfung von der Nachbildegüte
nicht abhängt, ist die Möglichkeit gegeben, Trägerfrequenzmehrfachübertragungssysteme,
die bisher nur auf Vierdrahtkreisen übertragen werden, auch auf geeigneten Zweidrahtleitungen
zu übertragen. Dabei muß die Grenzfrequenz der Tiefpässe der höchsten zu übertragenden
Frequenz entsprechen und die Steuerfrequenz entsprechend große Werte besitzen.
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Auch bei reinem Zweidrahtsystem kann die neue Schaltgabel benutzt
werden. Die üblichen Zweidrahtverstärker besitzen nur eine Verstärkung von etwa
2 ... 3 Neper, da höhere Verstärkungsgrade wegen der unvermeidbaren Nachbildefehler
der Nachbildungen N1,. N2- (Abb. =o) zur Selbsterregung des Verstärkers führen würden.
Diese geringen Verstärkungsgrade bringen es mit sich, daß Zweidrahtfernleitungen
eine große Zahl von Verstärkern in verhältnismäßig kurzen Abständen (2-Neper-Leitungsdämpfung)
besitzen müssen. Aus diesem Grunde und wegen der mangelhaften Stabilität derartiger
Zweidrahtfernleitungen wird für größere Entfernungen stets ein Vierdrahtsystem vorgezogen.
In bestimmten Fällen wird allerdings der Zweidrahtbetrieb, trotz seiner Nachteile,
wegen -des geringeren Leitungsaufwandes noch viel angewendet.
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Durch die Verwendung von zwei Schaltgabeln G1,G2 in einem derartigen
Zweidrahtverstärker bzw. Verwendung zweier gesteuerter Verstärker (Abb. =o) mit
einem Entsperrschalter Se kann eine viel größere Verstärkung ohne die Gefahr der
Selbsterregung benutzt werden. Die Nachbildegüte ist unkritisch und die Stabilität
einer mit derartigen Verstärkern bestückten Fernleitung besonders im Hinblick auf
die nicht synchron arbeitenden Schalter erheblich größer.
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Zur Erhöhung der Betriebssicherheit kann auch in diesem Fall eine
Anzeige bzw. selbsttätige Einstellung der Übersprechreste vorgesehen werden. Die
Einstellung der Öffnungszeiten in den Schaltgabel verstärkern im Zuge einer Zweidrahtleitung
ermöglicht auch die Verminderung der Wirksamkeit von Echos.
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Durch die Schaltgabeln und ihre Unempfindlichkeit gegen Nachbildungsfehler
ergibt sich, entgegen der zur Zeit üblichen Technik der Zweidrahtverstärker, nunmehr
die Möglichkeit, diese Verstärkerart für größere Übertragungsbandbreiten auszulegen.
Es besteht also die Möglichkeit, Mehrkanalzweidrahtsysteme über längere Zweidrahtfernleitungen
zu übertragen.
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In gleicher Weise, wie durch eine Breitbandschaltgabel die Übertragung
von Mehrfachträgerfrequenzsystemen auf geeigneten Zweidrahtleitungen ermöglicht
wird, können auch Mehrfachwechselstromtelegraphiesysteme auf derartigen Zweidrahtleitungen
eingesetzt werden. Bei geeigneter Bemessung der Impulsdauer und Impulsfolgezeiten
kann aber auch Einfach- oder Doppelgleichstromtelegraphie mittels der fremdgesteuerten
Schaltgabel auf Zweidrahtleitungen übertragen werden. Dabei ist die Steuerfrequenz
S (t) mit Rücksicht auf die Dauer des kürzesten Telegraphierschrittes und die zulässigen
Verzerrungen zu wählen.