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Sprachgesteuerte Gegensprechanlage mit Rückkopplungs-und Echosperre
Bei dem Betrieb von Gegensprechanlagen sind grundsätzlich zwei Fälle zu unterscheiden:
Wird die Anlage mit den üblichen Telephonfernhörern betrieben so tritt praktisch
keine akustische Rückkopplung über Hörerkapsel und Mikrophon ein. Soweit eine solche
Verbindung durchgehend vierdrahtmäßig ausgeführt wird, sind überhaupt keine durch
Echowirkungen bedingte Schwierigkeiten zu erwarten. Liegt dagegen im Zuge der Verbindung
zwischen Zweidrahtstrecken, z. B. den beiden Teilnehmeranschlußleitungen, eine Vierdrahtstrecke,
die über die üblichen Gabelschaltungen angeschlossen ist, so können bekanntlich
Echoerscheinungen in der Gesamtverbindung eintreten. Diese Echoerscheinungen haben
mit akustischer Rückkopplung nichts zu tun, sie stellen eine rein elektrische Rückkopplung
der Spannung am Ende der Vierdrahtleitung über den Kanal der Gegenrichtung auf den
Anfang der Vierdrahtleitung dar. Wesentlich dabei ist, daß der Rückfluß im Gegenkanal;
der durch unvollkommenen Abgleich der Leitungsnachbildungen hervorgerufen wird,
nicht von der Größenordnung des ankommenden Sprechstromes ist, sondern je nach den
Möglichkeiten des Gabelabgleichs darunter liegt, wobei »Fehlerdämpfungencc zwischen
z und q. Neper üblich sind.
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Zur Vermeidung des Rückflusses und damit der Echoerscheinungen ist
es bekannt, den Gegenkanal zu sperren. Diese Sperrung erfolgt in der Regel durch
gesteuerte
Dämpfungsglieder oder Röhren, wobei die Steuerspannung von der Sprechspannung des
besprochenen Kanals abgeleitet wird. Diese Sperranordnung wird manchmal mit »Rückkopplungssperre«
oder auch mit »Echosperre« bezeichnet, wobei beide Bezeichnungen für den gleichen
Begriff gebraucht werden und nichts Unterschiedliches bedeuten.
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Dieser Anordnung gegenüber steht bei Freisprechanlagen der Betrieb
mit empfindlichen Mikrophonen und Lautsprechern. Hierbei ist auf jeden Fall, auch
wenn die Verbindung rein vierdrahtmäßig aufgebaut ist, mit einer starken Rückkopplung
zu rechnen, und zwar durch die akustische Einwirkung jedes Lautsprechers auf das
am gleichen Ort befindliche Mikrophon der Gegenrichtung. Der Lautsprecher wird ja
im allgemeinen auf eine Lautstärke eingestellt sein, die etwas über der normalen
Sprechlautstärke liegt, damit Durchsagen auch bei zufällig etwas lauterem Geräuschpegel
im Raum verständlich bleiben. -Das Mikrophon solcher Lautsprechanlagen ist meist
so empfindlich, daß ein Besprechen aus 2 bis 3 m Entfernung ohne weiteres möglich
ist. Beides zusammen ergibt bei der Aufstellung von Mikrophon und Lautsprecher etwa
auf dem gleichen Schreibtisch einen Rückfluß der im Lautsprecher ankommenden Sprechenergie
in die Mikrophonleitung, der im allgemeinen stärker ist als die beim normalen Besprechen
vom Mikrophon aufgenommene Schallenergie.
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Um eine Anlage der zuletzt genannten Art betreiben zu können, müssen
daher zwei zusätzliche Elemente eingeführt werden: i. Um bei eingeschalteter Verbindung,
auch wenn sie nicht besprochen wird, Heulen durch akustische Rückkopplung zu vermeiden,
muß- der Kanal einer Richtung oder auch beide Kanäle so weit gedämpft werden, daß
die Rückkopplungsbedingungen nicht mehr erfüllt sind. Beim Besprechen eines Kanals
muß eine Steuerschaltung diese »Rückkopplungssperre« so steuern, daß der benötigte
Kanal »ohne Dämpfung« durchgeschaltet wird, während die nötige Dämpfung in den anderen
Kanal geschaltet wird. Dabei ist es zunächst unwichtig, ob nach Beendigung der Durchsage
der Kanal durchgeschaltet bleibt oder wieder gesperrt wird; 2. die Durchschaltung
jedes Kanals soll durch die Mikrophonspannung ausgelöst werden, sobald dies besprochen
wird. Andererseits soll aber die Durchschaltung nicht erfolgen, wenn der andere
Kanal gerade besprochen wird und der Schall des arbeitenden Lautsprechers auf das
Mikrophon trifft, weil sonst ein dauerndes Schalten und Zurückschalten die Folge
wäre. Um bei Lautsprecherschall das benachbart aufgestellte Mikrophon (oder auch
sonstige Übertragungsglieder hinter dem Mikrophon) zu sperren, ist daher eine »Echosperre«
notwendig.
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Die Begriffe »Rückkopplungssperre«- und »Echosperre« erhalten also
nun vollkommen verschiedene Bedeutung Die )"Rückkopplungssperre« sperrt den nicht
besprochenen Kanal oder dämpft ihn weitgehend. Die Sperrung bleibt in Sprechpausen
oder nach Beendigung der Besprechung bestehen, zumindest in den Fällen, in denen
die Rückkopplungssperre als Kippanordnung ausgeführt ist, die von der einen stabilen
Stellung (Sperrung des einen Kanals) in die zweite stabile Stellung (Sperrung des
zweiten Kanals) springt. Das Umkippen in den anderen Zustand wird dabei immer durch
das Besprechen des jeweils anderen Mikrophons ausgelöst. Aber auch bei gesperrtem
Kanal bleibt das Mikrophon dieses Kanals mit seiner Steuerschaltung zur Beeinflussung
der »Rückkopplungssperre« in Betrieb. Die Rückkopplungssperre beeinflußt nur den
»Sprechweg«, nicht den »Steuerweg« hinter dem Mikrophon.
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Die »Echosperre« sperrt das Mikrophon und damit den »Steuerweg« und
den (bereits anderweitig) gesperrten »Sprechweg« des Gegenkanals, sobald im durchgeschalteten
Kanal gesprochen wird. Die Sperr-. gleichspannung folgt den Sprachschwingungen ohne
wesentliche Verzögerung, abgesehen von einer geringen »Nachwirkzeit«, in kurzen
Sprechpausen setzt also auch die Sperrspannung aus und gibt damit das Mikrophon
urid den anschließenden »Steuerweg« des zweiten Kanals kurzzeitig frei. In- solchen
Sprechpausen setzt also die Echosperrenspannung aus, auch wenn die Sprechrichtung
nicht umgeschaltet wird. Da es der Zweck der Echosperre ist, die Einwirkung des
Lautsprecherschalls auf das Mikrophon und damit auf die Steuerung der Gegenrichtung
zu unterbinden, braucht diese Sperrspannung nur so lange zu bestehen, als der Lautsprecher
arbeitet.
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Den prinzipiellen Aufbau einer solchen Anlage nach dem bisherigen
Stand der Technik zeigt Fig. i.
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Die beiden Teilnehmer TI und TI, sind vierdrahtmäßig und über sich
automatisch steuernde Verstärker miteinander verbunden. Jedes Mikrophon (Mii bzw.
Mit) wirkt über einen Vorverstärker (V, bzw. V2) auf zwei Kreise a) auf den
eigentlichen Sprechkreis über ein gesteuertes Dämpfungsglied (D, bzw. D2) und einen
Endverstärker (Ei bzw. E2) auf die Lautsprecher (L2 bzw. L,), b) auf einen Steuerkreis,
der von den Vorverstärkern abgeleitet wird und aus den Steuerverstärkern
SW, bzw. SW, und einer über diese beeinflußten Kippanordnung K (einer
Röhrenkippschaltung oder einer entsprechenden Relaisanordnung) besteht. Je nach
dem Schaltzustand dieser Kippanordnung werden die Dämpfungen der Dämpfungsglieder
in den beiden - Sprechwegen gegensinnig beeinflußt, so daß praktisch stets ein Dämpfungsglied
durchlässig, das andere gesperrt ist. Diese Einrichtung stellt die Rückkopplungssperre
dar.
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Von der Ausgangsspannung des Endverstärkers (Ei bzw. E2). wird eine
Spannung abgegriffen und über Gleichrichter und Glättungsanordnungen (ES,
bzw.
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,) zur Sperrung, der Vorröhren VZ bzw. V, (etwa ES,
in
Form von Gitterpotentialverlagerungen) verwendet (Echosperre). Hierdurch wird die
Echosperrung bewirkt.
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Schwierigkeiten treten im allgemeinen auf, wenn bei dieser Anordnung
die Echosperrschaltung dimensioniert werden soll. Die Sperrspannung muß von dem
hohen Sprechpegel hinter der Endröhre abgenommen werden, weil zur Steuerung der
Röhren V,
bzw. V2, etwa einer Regelröhre oder auch einer üblichen
Pentode, schon Gleichspannungen von einigen Volt notwendig sind. Auch wenn keine
Röhre, sondern statt dessen eine Richtleiteranordnung (Brückenschaltung oder- Dämpfungsglied)
gesteuert werden soll, sind Gleichspannungen von etwa i Volt nötig. Die Glättung
der Spannung ES, bzw. ES, kann andererseits nicht beliebig weit getrieben
werden, da die Echosperre ohne wesentliche Verzögerung ansprechen muß". Sie-soll
ja den Mikrophonkreis blockieren, bevor der Lautsprecherschall auf dem Luftweg das
Mikrophon erreicht hat. Auch das Abklingen der Sperrung nach dem Aufhören der Besprechung
soll rasch erfolgen, um für eine eventuell sofort erfolgende Antwort des Sprechpartners
den Gegenkanal frei zu machen. Lediglich eine geringe Abklingverzögerung von etwa
5o bis ioo ms ist erwünscht, um auch in stark nachhallenden Räumen die Einwirkung
des vom Lautsprecher angeregten Raumechos auf das Mikrophon noch zu sperren.
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Die erforderlichen kleinen Zeitkonstanten gestatten keine weitgehende
Glättung der Spannung ES, bzw. ES2, sie enthält deshalb noch einen großen
Oberwellenanteil, der in seiner Intensität wesentlich über der Größe des Nutzpegels
am Gitter der Vorröhre liegt. Auch wenn im gesperrten Zustand der Vorröhre dieser
Oberwellenanteil nicht wirksam werden kann, so treten doch Störungen und insbesondere
unerwünschte Steuervorgänge im Gegenkanal auf, wenn diese Oberwellen vor allem während
des Abbaus der Sperrspannung bei kurzen Wortpausen und Satzunterbrechungen in der
Vorröhre mit steuern können. Denn selbst wenn nicht gesprochen wird, wird die abklingende
Sperrspannung durch Raumgeräusche, Grundgeräusche usw. doch mit Oberwellen überlagert
sein.
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Die Erfindung bezieht sich auf sprachgesteuerte Gegensprechanlagen
mit Echo- und Rückkopplungssperren der vorbeschriebenen Art. Ihr liegt die Aufgabe
zugrunde, die obergenannten Schwierigkeiten hinsichtlich der Bemessung der Echosperrenschaltung
zu beseitigen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die vom Empfangszweig
abgeleitete Echosperrenspannung lediglich auf die Steuerschaltung der Rückkopplungssperre
einwirkt, welche die jeweilige Umschaltung der Sprechkanäle vornimmt, während der
Sprechweg der Gegenrichtung von dieser Spannung unbeeinflußt bleibt.
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Hierdurch wird erreicht, daß nach wie vor Mikrophonimpulse, die durch
die Beschallung des Mikrophons vom Lautsprecher her ausgelöst werden, die Kippanordnung
nicht beeinflussen, und darüber hinaus werden folgende Vorteile erzielt: Durch die
Vermeidung einer Beeinflussung des Sprechkreises durch die vom Gegenweg abgeleiteten
Echosperrenspannungen werden zusätzliche Verzerrungen im genannten Sprechkreis verhindert.
Außerdem wird ein wesentlich günstigerer Abstand' zwischen dem Nutzpegel der von
der Steuerspannung beeinflußten Röhre und dem Oberwellenpegel der Steuergleichspannung
erhalten.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung kann bei den verschiedensten bekannten
Sperrenschaltungen angewendet werden. In der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
wurde eine Anlage angenommen, bei der die Rückkopplungssperre aus einer über Steuerverstärker
gesteuerten Kippanordnung besteht, wie sie bereits oben als bekannt vorausgesetzt
würde. An Stelle dieser Kippanordnung können aber auch andere Einrichtungen bekannter
Art als Rückkopplungssperre verwendet werden, sofern sie eine Blockierung der von
den beiden Sprechwegen abgeleiteten Steuereinflüsse durch die Echosperrenspannung
ermöglichen.
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Als besonders zweckmäßig für die Durchführung der Erfindung hat sich
jedoch eine elektronische Kippanordnung erwiesen, die in an sich bekannter Weise
aus einer Röhrenschaltung mit zwei Trioden oder Pentoden besteht. Beide Röhren besitzen
je einen Kathodenwiderstand, an dem die Gittervorspannung und damit auch die Sperrspannung
für die andere Röhre abgegriffen wird. Sobald eine Röhre Strom führt, sperrt die
am Kathodenwiderstand sich ausbildende Spannung die Gegenröhre. Diese kann nun so
lange keinen Strom führen, bis ihr Gitter durch einen fremd zugeführten Spannungsimpuls
richtiger Polarität so weit positiv vorgespannt wird, daß der Strom zu fließen beginnt.
Dieser Strom sperrt nun wieder durch seinen Spannungsabfall am Kathodenwiderstand
die erste Röhre. Der genannte Spannungsimpuls wird von der Sprechspannung des anderen
Kanals geliefert.
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Die an den beiden Kathodenwiderständen sich ausbildende Spannung kann
zweckmäßigerweise gleichzeitig zur Vorspannung und dämit zur Steuerung der in den
Sprechkreisen eingeschalteten Dämpfungsglieder bzw. zur Vorspannungsregelung von
Sprechverstärkerröhren verwendet werden.
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Beim Aufbau der Schaltung ergibt sich eine besondere einfache Schaltung,
wenn man beide Röhren der Kippanordnung in einer Doppeltriode K1, K2 zusammenfaßt,
wie dies Fig. a zeigt. Die Sprechspannungen Uspl bzw. Us@2 werden nach Gleichrichtung
den Steuergittern der Doppeltriode K1, K2 zugeführt. Die Steuerspannung Ustl bzw.
Ust, für die Dämpfungsglieder bzw. "= die Endröhren in den beiden Kanälen KI und
KI' werden an den Kathodenwiderständen Rau und Rg, abgenommen.
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Die Echosperrenspannung soll sich sehr rasch aufbäuen, wenn die ersten
Spannungsimpulse auf den Lautsprecher kommen, aber andererseits mit einer gewissen
Verzögerungszeit wieder abklingen. Als grundsätzliche Schaltung könnte hierfür eine
Anordnung verwendet werden, wie sie Fig. 3 zeigt. Die von einer Spannungsquelle,
etwa einer Röhre, mit dem inneren Widerstand Ri gelieferte Wechselspannung lädt
über einen Gleichrichter Gl einen Kondensator C auf. Der Belastungswiderstand Ra
des Kondensators soll groß gegen Ri sein. Dann wird die Aufladezeitkonstante der
Schaltung in erster Linie von Ri und C, die Entladezeitkonstante wegen der Sperrwirkung
von Gl durch C und Ra bestimmt sein. Da in manchen praktischen Fällen Ri nicht beliebig
klein gewählt werden kann, muß zum Ausgleich C klein gewählt werden. Dem ist aber
bald eine Grenze
gesetzt, da sonst Ra andererseits wieder wesentlich
größer werden müßte. Auch hier sind insbesondere im Gitterkreis von Röhren die Dimensionierungsmöglichkeiten
begrenzt, so daß häufig die.erwünschten Ansprech- und Verzögerungszeiten nicht erzielt
werden können. Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, wird vorgeschlagen, den Kondensator
aufzuteilen, so daß beide Forderungen, nämlich sehr geringe Ladezeitkonstante und
wesentlich längere Entladezeitkonstante, erfüllt werden können. Eine derart verbesserte
Schaltung zeigt Fig. q.. Eine relativ kleine Kapazität Cl (etwa 2o0'/, von C2) ergibt
eine raschere Aufladung auf einen wesentlichen Teil der gesamten Spannungshöhe und
ermöglicht eine rasch einsetzende Sperrung, wenn R' wesentlich größer als Ri ist,
so daß es als Belastung beim Aufladevorgang vernachlässigt werden kann. C2 wird
durch die folgenden Sprachimpulse auf die volle Sperrspannung nachgeladen. Beim
Entladen über den Widerstand Ra verbindet Gleichrichter Gl' beide Kondensatoren,
so daß für die Entladezeitkonstante der gesamte Kapazitätswert bestimmend ist.
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In Fig. 5 ist schließlich ein Gesamtschaltbild einer Freisprechschaltung
gemäß der Erfindung mit zentralem Verstärker und mit Echo- und Rückkopplungssperre
dargestellt. Die Teilnehmereinrichtungen sowie die zur wahlweisen Verbindungsherstellung
zwischen zwei beliebigen Teilnehmern erforderlichen Auswahleinrichtungen 'sind als
für die Erfindung unwesentlich nicht mit dargestellt.
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Die Schaltung besteht aus folgenden wesentlichen. Teilen, die soweit
als möglich in gleicher Weise bezeichnet sind wie in Fig. z. Je Sprechweg ist ein
für Sprech- und Steuerspannungen gemeinsamer Vorverstärker V1 bzw. V2 vorgesehen.
Ferner ist eine Kippanordnung K vorhanden, die von den beiden Sprechzweigen über
je einen Steuerverstärker StV, bzw. StV, gesteuert wird. Der Spannungsabfall an
den Kathodenwiderständen RK, und RK, der Kippschaltung wird hier zur Steuerung der
Gittervorspannung der in den Sprechkreisen angeordneten Endverstärkerröhren El bzw.
E2 verwendet, die aber entweder im normalen Arbeitspunkt arbeiten oder ganz gesperrt
werden. Vom Ausgang dieser Röhren wird neben der verstärkten Sprechspannung die
Echosperrerispannung abgeleitet, in Verstärkern EVl bzw. EV2 verstärkt und über
eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. q zur Erzeugung der gewünschten Ansprech- und
Nachwirkzeiten den Gittern der jeweils der Gegenrichtung zugeordneten Steuerverstärkerröhre
StV, bzw. StV, zugeführt.
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Die Gesamtschaltung ist hier aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung
so gezeichnet, daß beide Mikrophonkreise auf der einen Seite und beide Lautsprecherkreise
auf der anderen Seite der Zeichnung liegen. Zur weiteren Schaltungsvereinfachung
sind soweit als möglich Doppelröhren verwendet, und zwar für Vorverstärker, Steuerverstärker
und Kippschaltung die gleichen Doppeltrioden, während die Endverstärkerstufe und
der Echosperrenspannungsverstärker in einer Verbundröhre vereinigt sind. Die Kopplung
der verschiedenen Röhren erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel über RC-Glieder,
es kann aber ebensogut eine Übertragerkopplung angewendet werden.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist kurz folgende: Es sei angenommen,
daß die Anordnung zuletzt vom Teilnehmer 2 besprochen worden ist. Demzufolge ist
während des sich anschließenden Ruhezustandes der Anlage das System K2 der Kippröhrenanordnung
stromführend und damit infolge des Spannungsabfalls am Kathodenwiderstand Ry,dieEndverstärkerröhre
El gesperrt, während an E2 nur die normale Vorspannung liegt, so daß diese Röhre
durchlässig ist.
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Wird nun die Anlage vom Mikrophon Mil des Teilnehmers x aus besprochen,
so werden die Sprechströme zunächst in der Vorverstärkerröhre V1 verstärkt. Die
verstärkten Sprachschwingungen gelangen außer auf den .Endverstärker auch auf das
Gitter der Steuerverstärkerröhre SiVl; die an der Anode von StVl abgenommenen verstärkten
Spannungen werden gleichgerichtet und dem Gitter des Systems K1 der Kippröhre zugeführt.
Sie werden dabei der von dem anderen, zu diesem Zeitpunkt leitenden System K2 erzeugten
Sperrvorspannung überlagert und überwinden diese, so daß nunriehr die Röhre K1 leitend
wird und einen die Sperrung der Röhre K2 bewirkenden Spannungsabfall am Kathodenwiderstand
Rr;2 erzeugt, der zugleich als Sperrvorspannung für die Röhre E2 ausgenutzt wird.
Durch die Sperrung der Röhre K1 fällt gleichzeitig die sperrende negative Gittervorspannung
für die RöhreEl fort, so daß diese die vom Vorverstärker V1 auf ihren Eingang gelangenden
Sprachschwingungen weitergeben kann. Diese werden über den Ausgangsübertrager A
Ü1 auf den Lautsprecher L2 des Teilnehmers 2 übertragen. An Stelle der Sperrung
bzw. Freigabe eines Sprechkanals durch Gitterpotentialverlfigerung in einer Sprechverstärkerröhre
kann der in der Kippanordnung am Kathodenwiderstand erzeugte Spannungsabfall ohne
weiteres auch zur Steuerung anderer Sperrschaltmittel, z. B. von aus spannungsabhängigen
Widerständen aufgebauten Dämpfungsgliedern u. dgl. verwendet werden.
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Die vom Lautsprecher L2 abgestrahlte Schallenergie gelangt selbstverständlich
auch auf das Mikrophon Mit der gleichen Sprechstelle und wird in dem Vorverstärker
V2 verstärkt. Sie kann nun zwar nicht auf den Lautsprecher L1 rückwirken, da die
Röhre E2 durch die Kippanordnung der Rückkopplungssperre gesperrt ist, jedoch kann
sie auf die Steuerschaltung einwirken und damit eine unerwünschte Umsteuerung der
Sprechrichtung herbeiführen. Um diese zu verhindern, ist die Echosperre vorgesehen.
Die Echosperrenspannung wird vom Ausgangsübertrager AÜl (bzw. A Ü2) abgenommen,
sie kann, wie das Ausführungsbeispiel zeigt, vor ihrer Gleichrichtung nochmals verstärkt
werden, wozuhier das System E V, (bzw. E V2) dient, das mit der Endverstärkerröhre
kombiniert ist. Es ist aber auch möglich, die Echosperrenspannung ohne weitere Verstärkung
gleichzurichten. Zur Gleichrichtung der Echosperrenspannung dient ein aus Gleichrichtern,
Kondensatoren und Widerständen aufgebautes Netzwerk, wie es oben im Zusammenhang
mit den Fig.3 und q. beschrieben wurde und dessen Elemente so dimensioniert sind,
daß die gewünschten
Schaltzeiten für Ansprechen und Abklingen erhalten
werden. Die so aus den Sprechspannungen am Ausgang des Endverstärkers EV1 gewonnene
.Sperrspannung wird nun an das Gitter der Steuerverstärkerröhre SW, der Gegenrichtung
gelegt und verhindert damit ein Einwirken der vom Lautsprecher L2 auf das Mikrophon
Mit gelangenden Schallenergie auf die Steuereinrichtung. Da diese Sperrspannung
in den Sprachpausen - nach der vorbestimmten, oben bereits erläuterten Nachwirkzeit
- verschwindet, kann der Teilnehmer 2 durch Besprechen seines Mikrophons in einer
Sprachpause ohne weiteres die Umschaltung der Sprechrichtung durch die Kippanordnung
herbeiführen. Auf diese Weise ist ein einwandfreier Gegensprechbetrieb ermöglicht,
ohne daß' die Echosperrenspannung in 'irgendeiner Weise auf den Sprechweg der Gegenrichtung
einwirkt.