Telefon-Teilnehmeranschluss ein Beispiel

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1 ZHW, NTM, 2005/11, Rur 1 Telefon-Teilnehmeranschluss ein Beispiel Inhaltsverzeichnis 1. PRINZIPIELLER AUFBAU ANFORDERUNGEN AN EIN ÜBERTRAGUNGSSYSTEM...4 Referenz Diese Unterlagen sind vollständig aus der Vorlesung Signale der Nachrichtentechnik von Prof. Dr. U. Gysel übernommen worden. 1. Prinzipieller Aufbau In diesem Kapitel wollen wir die wichtigsten Elemente einer Nachrichtenübertragung kennenlernen. Dabei sollen auch die wesentlichsten Anforderungen an ein Nachrichtensystem untersucht werden. Wir wollen dies nicht nur theoretisch tun, sondern ganz konkret anhand der häufigst gebrauchten und fast ältesten Nachrichtenübertragungs-Einrichtung, dem alt bekannten Telefon (die Amerikaner nennen es auch POTS, was die Abkürzung für "Plain Old Telephone System" ist). Das Telefonsystem enthält fast alle wichtigen Elemente eines Nachrichtensystems und eignet sich deshalb sehr gut zum Studium der Grundanforderungen an ein Übertragungssystem. Diese werden wir dann in den folgenden Kapiteln immer wieder aufgreifen, dabei aber bei anderen Systemen und geänderten Vorgaben andere Lösungen für dieselben Fragestellungen finden. Mikrofon Leitung Hörer Fig. 1 Teilnehmer A Telefonverbindung beim Vierdrahtbetrieb Teilnehmer B Fig. 1 zeigt die Grundschaltung einer Telefonverbindung. Das Mikrofon bildet den akustischelektrischen Wandler. Die elektrischen Signale werden über eine Drahtleitung zum Hörer (Lautsprecher) übertragen. Zur Speisung der Einrichtung ist an geeigneter Stelle eine Batterie in Serie geschaltet. Da beim Telefonieren beide Seiten gleichzeitig sprechen möchten, braucht es diese Einrichtung für beide Richtungen, also insbesondere zwei Leitungen. Man spricht dann auch vom Vierdrahtbetrieb. Die Verwendung von zwei Leitungen ist aufwendig und man hat sehr bald nach Einführung der Telefonie versucht, nur mit einer auszukommen. Der erste Ansatz bestand darin, auf

2 ZHW, NTM, 2005/11, Rur 2 jeder Seite Mikrofon und Hörer einfach in Serie zu schalten. Dies hatte den grossen Nachteil, dass bei jedem Teilnehmer ein relativ grosses Mithören vorhanden war (Sprecher hört sich selber). Dieses kann man mit einer Brückenschaltung in der Form der sog. Gabelschaltung reduzieren oder fast ganz aufheben. Zusätzlich betreibt man die Telefone heute so, dass sie zentral aus der Anschlusszentrale, jener Zentrale, an welche der Teilnehmer direkt angeschlossen ist, gespeist werden. Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines klassischen Telefonapparates mit Wählscheibe. Fig. 2 Prinzipieller Aufbau eines klassischen Telefonapparates Der Apparat muss drei unterschiedliche Funktionen erfüllen, a) Wählen, b) Ruf empfangen und c) Übertragung der akustischen Information in beiden Richtungen gewährleisten. a) Für den Wählvorgang enthält der Apparat die Kontakte nsi, nsr, g und nsa. Beim Abheben der Gabel schliesst der Gabelkontakt g. Damit schliesst sich der Stromkreis der zentralen Batterie über die Kontakte nsi und nsr. Beim Aufziehen der Wählscheibe öffnet der Kontakt nsr (siehe rechte Seite der Figur) und nsa schliesst die Gabelschaltung und den Mikrofonkreis kurz. Beim Ablaufen der Wählscheibe erzeugen die Kontakte nsi und nsr zusammen eine Folge von 3 Unterbrüchen im Stromkreis von je 38 ms. Die Wählimpulse folgen sich im Abstand von 100 ms. Diese Unterbrüche werden in der Zentrale registriert und zu den Wählausrüstungen weitergeleitet. b) Der angewählte Apparat soll im Ruhezustand sein, d.h. der Gabelkontakt g ist offen. Der Ruf erfolgt mit einer Wechselspannung von ca. 60 V. Diese erreicht über den Kondensator C den Wecker. Nach Abheben des Hörers schliesst der Kontakt g und die Gabelschaltung mit dem Mikrofon und dem Hörer sind angeschlossen. c) Der Telefonapparat ist jetzt bereit für die Signalübertragung. Wie funktioniert nun die Gabelschaltung? Sie besteht aus einem Transformator mit zwei Wicklungen, von denen eine noch einen Mittelabgriff besitzt. Der Strom vom Mikrofon verteilt sich über den Mittelabgriff des Transformators in beide Richtungen. Nach links fliesst er zur Leitung, welche an den Klemmen a und b angeschlossen ist. Nach rechts fliesst er in die dort angeschlossene Last, die aus einem R parallel zu einem C besteht. Die beiden zusammen sollten ungefähr dieselbe Impedanz haben wie diejenige, die am Eingang der Leitung gemessen wird. Man nennt diese Last deshalb auch Leitungsnachbildung. Sind Leitungswiderstand und Nachbildung in etwa gleich, so sind die beiden Teilströme gleich gross und es wird keine Spannung in die Sekundärwicklung des Transformators induziert. Der Sprecher hört sich selber also nicht oder kaum. In der Praxis wird allerdings bewusst eine kleine Asymmetrie eingebaut, damit ein kleines Mithören gewährleistet ist. Das von der Leitung ankommende Sprechsignal erreicht über den Transformator die Hörerkapsel. Dorthin gelangt nur die Hälfte des Empfangssignals. Die andere wird im Mikrofon vernichtet, was aber weiter nicht stört. Das Mikrofon liegt im Primärkreis des Transformators, das zu seinem Betrieb einen Vorstrom benötigt, der nach Schliessen des Gabelkontaktes von der Zentralbatterie geliefert wird. Praktische Telefonapparate sind aufwendiger aufgebaut als der oben skizzierte. Sie enthalten noch weitere Elemente wie eine Mithörschaltung, eine Schaltung für die Funken-

3 ZHW, NTM, 2005/11, Rur 3 löschung beim Wählkontakt nsi, einen Überspannungschutz für den Hörer und eine Frequenzkompensation. Neuere Apparate verwenden statt der Impulswahl wie soeben beschrieben die Mehrfrequenzwahl. Bei dieser wird jede Ziffer mittels einer Kombination von zwei Tonfrequenzen, welche während kurzer Zeit gesendet wird, übertragen, Fig. 3. So wird die Ziffer 4 mit den Frequenzen 770 Hz und 1209 Hz übertragen. Die Tontastenwahl kann vollelektronisch realisiert werden und gestattet die Übertragung von Information auch dann, wenn eine Verbindung schon aufgebaut ist. Die Speisung der elektronischen Schaltungen erfolgt aus der Zentralbatterie. Fig Hz 1336 Hz 1477 Hz 1633 Hz 697 Hz A 770 Hz B 852 Hz C 941 Hz * 0 # D Zuordnung der Frequenzen zu den Wählzeichen bei der Tonfrequenzwahl Moderne Telefonapparate sind ganz elektronisch aufgebaut. Anders wären die günstigen Anschaffungspreise gar nicht realisierbar. Also auch die Gabelschaltung wird nicht mehr mit einem Transformator realisiert, sondern mit elektronischen Schaltungen, für welche heute eine ganze Reihe von hochintegrierten Bausteinen zur Verfügung steht. Aber die Funktion der Gabelschaltung, also die Trennung von abgehendem und ankommendem Signal, ist gleich geblieben. Mit dem soeben gezeigten Telefonapparat könnte man über Kupferleitungen bestenfalls einige Kilometer weit telefonieren. Damit grössere Distanzen überbrückt werden können, braucht es Verstärker. Solche lassen sich nicht direkt in eine Zweidrahtverbindung, auf der Signale in beiden Richtungen laufen, einschalten. Jede Richtung muss getrennt verstärkt werden. Aus diesem Grund braucht es spätestens in der Zentrale wieder eine Gabelschaltung, welche die beiden Richtungen trennt und den Übergang zum sog. Vierdrahtbetrieb bildet. Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vierdrahtübertragung, die in eine Zweidrahtverbindung eingeschaltet ist. Grundsätzlich könnte man in eine Zweidrahtleitung in gewissen Abständen eine Anordnung bestehend aus zwei Gabelschaltungen und zwei Verstärkern einschalten. In der Praxis wird aber, mit Ausnahme der lokalen Verbindung vom Teilnehmer zur Anschlusszentrale, immer vierdrähtig gefahren. Die übergeordneten Verbindungen werden nämlich nicht mehr einzeln geführt, sondern mehrere Telefonverbindungen werden gleichzeitig mit unterschiedlichen Multiplexverfahren (mehrere Telefonkanäle benützen dieselbe physikalische Leitung) über zwei getrennte Leitungen übertragen.

4 ZHW, NTM, 2005/11, Rur 4 zum Teilnehmer B Z N Z N zum Teilnehmer A Fig. 4 Vierdraht-Übertragungsleitung mit Verstärkern (ZN = Leitungsnachbildung) Bei der Schaltung von Fig. 4 ergibt sich noch ein kritisches Problem. Bei der Gabelschaltung liegt am Anschluss zum Mittelabgriff der Ausgang eines Verstärkers und im Sekundärkreis der Eingang eines Verstärkers. Diese beiden Tore sind nicht ideal voneinander entkoppelt. Ein kleiner Teil des Signals, das vom Teilnehmer B an der Gabelschaltung auf der linken Seite anlangt, erreicht die Verstärkerkette vom Teilnehmer A zum Teilnehmer B. Dort wird wieder ein Teil zurückgekoppelt in die Verstärker in Richtung Teilnehmer A. Es entsteht ein geschlossener Kreis mit Verstärkern. Ist die Entkopplung in den Gabelschaltungen zu klein, so kann die Verstärkung im geschlossenen Kreis grösser als eins werden und die Schaltung beginnt zu schwingen, ein unzulässiger Zustand. Vergleichen wir die Telefonschaltung mit dem Prinzipschema der Nachrichtenübertragung, so identifizieren wir als Wandler das Mikrofon und den Hörer. Coder und Decoder im eigentlichen Sinne existieren nicht. Das in ein elektrisches gewandelte akustische Signal wird direkt über die Zweidrahtleitung übertragen. Der Transformator in der Gabelschaltung passt auf der Empfangsseite die Spannung dem Widerstandsniveau des Hörers an. Der Kanal in besteht aus den Zweidrahtleitungen von den Teilnehmern zu den Ortszentralen und den Übertragungseinrichtungen des dazwischen liegenden Teils. Das althergebrachte Telefon enthält also gewisse Teile unseres Prinzipschemas nur rudimentär. Trotzdem eignet es sich, um einige grundlegende Überlegungen zur Übertragung anzustellen. 2. Anforderungen an ein Übertragungssystem In diesem Abschnitt stellen wir uns zuerst einmal auf den Standpunkt des Benützers einer Übertragungseinrichtung, im speziellen eines Telefons. Wir versuchen, die wichtigsten Anforderungen an das Telefon zusammenzustellen und daraus allgemeinere Schlussfolgerungen zu ziehen. Aus den allgemeinen Anforderungskriterien, die wir ganz am Anfang des Kurses aufgestellt haben, geht es hier nur um die Eigenschaften Übertragungstreue und teilweise um die Unabhängigkeit von der Distanz. Wir unterscheiden: a) Bandbreite Unser Ohr ist empfindlich für Schallwellen im Bereich von ca. 25 Hz bis 16 khz. Bei der Telefonie ist die Sprachtreue allerdings nicht oberstes Gebot. Massgebend ist die Verständlichkeit der Sprache. Diese ist noch gewährleistet, wenn man das zu übertragende Frequenzband auf den Bereich von 300 Hz bis 3400 Hz einschränkt. Denn in diesem Frequenzband liegt der Hauptanteil der Sprechenergie, wie dies Fig. 5 zeigt. Diese Einschränkung des Frequenzbandes macht man aus Kostengründen. Mit dem reduzierten Frequenzband verliert man etwas vom speziellen Charakter der Sprache einer bestimmten Person. Dies geht aus dem Anteil der Sprechenergie, welche nach Fig. 5 für die Emotionen verantwortlich ist, hervor. Trotzdem erkennt man die meisten Sprechenden am Telefon noch gut.

5 ZHW, NTM, 2005/11, Rur 5 Fig. 5 Frequenzmässige Verteilung der Sprechenergie b) Frequenzgang Im Band von 300 bis 3400 Hz ist die Übertragungsfunktion bei einer Telefonverbindung nicht konstant. Jedes Element in der Übertragungskette (Mikrofon, Gabelschaltungen, Leitung, Verstärker, Hörer) trägt einen Teil bei zu einem nicht konstanten Amplitudengang. Fig. 6 zeigt die maximal zulässigen Abweichungen des Amplitudengangs bei einer internationalen Telefonverbindung nach den Normen der ITU-T. Fig. 6 Zulässige Dämpfungsvariation einer internationalen Telefonverbindung (Bezugsfrequenz f = 800 Hz) Über das Verhalten des Phasengangs werden keine Angaben gemacht. Das kommt daher, dass das Ohr nicht auf Phasenverschiebungen der einzelnen Frequenzkomponenten

6 ZHW, NTM, 2005/11, Rur 6 empfindlich ist. Wir werden im nächsten Kapitel sehen, welches die Anforderungen an ein Übertragungssystem sind, wenn ein Signal, z.b. ein einzelner Impuls, unverzerrt übertragen werden soll. Unser Ohr ist also inbezug auf die Phase sehr nachsichtig. Bei anderen Signalen ist dies oft nicht mehr der Fall. So ist die Übertragung eines Datensignals mit einem Modem über eine Telefonverbindung eine sehr anspruchsvolle Aufgabe. Wir werden später die Massnahmen ansehen, die getroffen werden müssen, um dies zu ermöglichen. c) Pegel und Dämpfung Beim Telefon ist der "Generator" nicht konstant. Je nach Sprechendem und während eines Gesprächs selbst schwankt der Pegel. Für die Dimensionierung von Telefonausrüstungen hat man sich deshalb auf Normpegel geeinigt, die ungefähr dem mittleren Pegel eines durchschnittlichen Sprechers entsprechen. Der Normsende- und Empfangspegel des Telefonapparates wurde auf L p = -8.7 dbm festgelegt. Dies entspricht einer Spannung von 285 mv an einem Widerstand von 600 Ω. Dieser Normpegel wurde aufgrund des Stands der Technik 1930 festgelegt und seither beibehalten, obwohl heute auch andere Werte möglich wären. Da Sprache ein nichtperiodisches Signal ist, kann man sie nur mit statistischen Mitteln beschreiben. So haben Messungen ergeben, dass der Normpegel im Mittel während 1% der Zeit um 15 db überschritten wird. Will man Verzerrungen nur bei diesem einen Prozent zulassen, so bedeutet das, dass alle Elemente im Übertragungspfad Spannungen, welche etwa 6 Mal grösser sind als die Normalspannung, noch verzerrungsfrei verarbeiten müssen (z.b. in einem Verstärker). Die Gesamtverluste von Sender zu Empfänger sollten nicht grösser als 33 db sein (Swisscom: kleiner als 23 db). Deshalb sind für grössere Distanzen unbedingt Verstärker erforderlich. d) Verzögerungszeit Die Signale breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit, oder allenfalls etwas langsamer aus. Trotzdem braucht es Zeit zur Übertragung, die bei internationalen Verbindungen über Satelliten bemerkbar wird. Daher schreibt ITU-T eine maximale Verzögerungszeit von 250 ms vor. e) Signal-zu-Geräusch-Verhältnis Rauschen und andere Störsignale beeinträchtigen die Verständlichkeit, oder zumindest die Qualität einer Telefonkonversation. Ziel ist es deshalb, das Verhältnis von Signal-zu- Rauschen, oder kurz S/N bezeichnet, innerhalb ökonomischer Grenzen so gross wie möglich zu machen. Das Signal wird bei der Übertragung vor allem infolge der Leitungsverluste gedämpft und muss deshalb von Zeit zu Zeit wieder verstärkt werden. Auf den ersten Blick scheint dieser Prozess beliebig oft wiederholbar zu sein. Dieser Vorstellung macht das Rauschen einen Strich durch die Rechnung. Rauschen ist in jedem elektrischen System vorhanden und setzt eine untere Grenze für Nachrichtensignale. Wird ein Signal infolge von Verlusten zu stark gedämpft, dann verschwindet es letztlich im Rauschen und kann nicht mehr zurückgewonnen werden. Bei Leitungen stammt das Rauschen von den Leitungsverlusten. Schaltet man die Signalquelle am Eingang einer Leitung ab und misst das Rauschsignal am Ausgang derselben, so findet man immer dieselbe Rauschspannung, unabhängig von der Länge der Leitung. Die zu übertragenden Signale werden aber auf einer Leitung gedämpft. Wählt man die Leitung zu lange, so versinkt am Ausgang der Leitung das Nutz- im Rauschsignal. Da hilft auch der beste Verstärker nichts mehr. Lange Leitungen werden deshalb immer wieder von Verstärkern unterbrochen, am besten an einem Punkt, an dem das Verhältnis von Signal-zu-Rauschen noch nicht zu klein geworden

7 ZHW, NTM, 2005/11, Rur 7 ist. Ist nämlich dieses Verhältnis auf einen gewissen Wert abgesunken, so kann es nie wieder verbessert werden. Erschwerend kommt hinzu, dass auch Verstärker ihrerseits einen Beitrag zum Rauschen liefern und so das Signal-zu-Rauschverhältnis an ihrem Ausgang noch weiter verschlechtern. Fig. 7 zeigt den Verlauf des Signal- und Rauschpegels entlang einer Übertragungsstrecke mit 4 Leitungsabschnitten, 2 Zentralen und drei Zwischenverstärkern im sog. Pegeldiagramm. In diesem werden schematisch die Verläufe des Signal- und des Rauschpegels über die ganze Strecke dargestellt. Im ersten Leitungsabschnitt liegt der Rauschpegel (ohne Fremdstörungen) konstant auf ca dbm. Wie dieser Wert zustande kommt, werden wir später sehen. Im ersten Verstärker wird nun nicht nur das Signal, sondern auch das Rauschen am Eingang des Verstärkers verstärkt. Zusätzlich liefert auch der Verstärker noch selber einen Rauschbeitrag, sodass das S/N am Ausgang des Verstärkers kleiner ist als an seinem Eingang. Auf dem nächsten Leitungsabschnitt wird angenommen, dass das Signal und das verstärkte Rauschen so stark gedämpft werden, dass am Eingang des nächsten Verstärkers das Rauschen wieder auf das minimale Rauschen auf der Leitung abgesunken ist. Bei den beiden nachfolgenden Leitungen ist dies nicht mehr der Fall. Während das Signal dank der Verstärker immer wieder auf den gewünschten Pegel erhöht werden kann, wird der Signal-zu-Geräuschabstand nach jedem Verstärker kleiner. Ein einmal erreichtes minimales S/N kann nie mehr verbessert werden. Damit eine Telefonverbindung noch als gut bezeichnet wird, muss das Signal-zu-Geräusch- Verhältnis grösser als 30 db sein. Dabei wird zusätzlich die frequenzabhängige Empfindlichkeit unseres Ohrs berücksichtigt, welche die Sache noch etwas entschärft. Bei Rauschmessungen wird dies so berücksichtigt, dass das Rauschen vor der Messung mit einem Filter, das der Empfindlichkeit des Ohrs entspricht, gewichtet wird. Verschiedene dieser sog. Gewichtskurven sind in Fig. 8 wiedergegeben (CCIR entspricht neu dem ITU-R). f) Übersprechen und Intermodulationen Neben dem Rauschen gibt es noch andere Störungen, welche ein Telefongespräch negativ beeinflussen können, nämlich Übersprechen von anderen Kanälen, also erkennbare Sprachanteile, und sonstige Störsignale wie Knacken etc. Da Übersprechen schon bei Dämpfungen von 40 bis 60 db erkennbar ist, sollte es mehr als 60 db gedämpft sein. Neben Störsignalen, welche via induktive, kapazitive oder galvanische Kopplung von Nachbarschaltungen stammen, gibt es auch Störsignale, welche im Übertragungspfad selber ihren Ursprung haben, sog. Intermodulationen. Sie entstehen immer dann, wenn eine Schaltung nichtlinear ist, also z.b. ein Verstärker, der in die Sättigung gerät. Ein Mass für die Verzerrungen, die in einem Übertragungsvierpol entstehen, ist der Klirrfaktor. Er eignet sich gut zur globalen Beschreibung von Verzerrungen. Liegen zwei oder mehr Signale am Eingang eines Verstärkers an, so entstehen nicht nur Harmonische der Einzelsignale, sondern weitere Signalanteile bei neuen Frequenzen. Diesen Aspekt, der mit dem allgemeineren Begriff der Intermodulation bezeichnet wird, werden wir später behandeln.

8 ZHW, NTM, 2005/11, Rur 8 Zentrale TN TN dbm 0 P -8dBm Signal -22 dbm -60 S/N Rauschen Fig. 7 Muster eines Pegelplans (TN = Teilnehmer) Fig. 8 Gewichtskurve für die Messung von Rauschen im Telefonkanal