Telefon-Teilnehmeranschluss – ein Beispiel

ZHW, NTM, 2005/11, Rur
1
Telefon-Teilnehmeranschluss – ein Beispiel
Inhaltsverzeichnis
1. PRINZIPIELLER AUFBAU ...................................................................................................1
2. 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
Teilnehmer A
Fig. 1
Hörer
Teilnehmer B
Telefonverbindung beim Vierdrahtbetrieb
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
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-
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.
697 Hz
770 Hz
852 Hz
941 Hz
Fig. 3
1209 Hz
1
4
7
*
1336 Hz
2
5
8
0
1477 Hz
3
6
9
#
1633 Hz
A
B
C
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.
ZHW, NTM, 2005/11, Rur
4
zum
Teilnehmer B
ZN
ZN
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.
ZHW, NTM, 2005/11, Rur
Fig. 5
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
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 Lp = -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-zuRauschen, 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
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. -134 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-GeräuschVerhältnis 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.
ZHW, NTM, 2005/11, Rur
8
Zentrale
TN
TN
P
dBm
0
-8dBm
-20
Signal
-22 dBm
-40
S/N
-60
-80
-100
-120
Rauschen
Fig. 7
Muster eines Pegelplans (TN = Teilnehmer)
Fig. 8
Gewichtskurve für die Messung von Rauschen im Telefonkanal