Grundlagen der Telefonie

2.1
Grundlagen der Telefonie
Grundlagen der Telefonie
Geschichtliches
1844 Samuel Morse baut eine Telegrafenlinie von Washington nach Baltimore.
1861 Der deutsche Phillip Reis führt sein Telefon vor, welches er jedoch nicht patentiert.
1876 Der Amerikaner Graham Bell reicht zwei Stunden vor Elisha Gray sein Patent für ein
verbessertes Telefon ein und entwickelt es anschliessend zur Serienreife.
1880 Die private Zürcher Telefongesellschaft eröffnet das 1. Telefonnetz der Schweiz.
Die abgebildete Lokalbatterie Station LB stammt aus dieser Zeit.
1897 Dem Italiener Guglielmo Marconi gelingt die erste funktechnische Übertragung.
1923 In Berlin wird die erste drahtlose Fernsehübertragung gezeigt.
1965 Telefonverbindung mittels Fernmeldesatelliten Early Bird nach Amerika.
1978 Einführung des automatischen nationalen Auto-Telefons (NATEL) in der Schweiz.
1993 Tim Berners-Lee entwickelt am CERN (in Genf) den Webbrowser und das World
Wide Web, das dem Internet (Interconnected Networks) zum Durchbruch verhilft.
Telefonische Übertragung
Beim Sender (Mikrofon) werden Schallwellen in elektrische Signale (Schwingungen) umgewandelt. Damit die schwachen elektrischen Signale auch grössere Distanzen überwinden
können, werden sie transformiert (Übertrager). Im Empfänger (Hörer) werden die elektrischen Signale in Schallwellen zurück gewandelt.
Schaltung
(historisch)
Schema mit genormten
Zeichnungs-Symbolen:
Nebenstehende Zeichnung ist zu beschriften
Ströme
Die beiden Stromarten
sind zu bezeichnen.
Beschreibung
I nach Mikrofon
t
I nach Übertrager
t
p Ton mit PM
t
p Ton ohne PM (verzerrt)
t
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Die beschriebenen Ströme bilden die Grundlage der analogen Telefonie.
Sprechen
Die Membrane (dünne Metallscheibe) drückt auf die Kohlekörner. Diese verändern ihren
Widerstand, es entsteht ein pulsierender Gleichstrom (Analogsignal).
Übertragung
Der Übertrager (Transformator) wandelt den pulsierenden Gleichstrom in den sogenannten
Sprechwechselstrom um. Ausserdem erhöht er die Spannung auf der Leitung.
Hören
Der Elektromagnet zieht die Membrane bei positivem Signal an, bei negativem Signal lässt
er sie gehen. Es entsteht etwa der gleiche Ton, wie er beim Mikrofon empfangen wurde.
Die Hörermembrane ist vorgespannt. Ohne Permanentmagnet (PM) würde das Signal verzerrt ertönen (etwa mit der doppelten Frequenz).
Bei positivem Signal überlagern sich die Felder von Elektro- und Permanentmagnet, bei
negativem Signal heben sie sich auf.
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2.2
Grundlagen der Telefonie
Telefonspeisung
LB: 1,5 ... 3 Volt
ZB: 24 ... 60 Volt
Die Mikrofone sind immer in Serie zur Speisung (Batterie) geschaltet. Mit den Gabelkontakten (G) wird jeweils bei Nichtgebrauch die Speisung abgeschaltet. Die Vermittlungseinrichtung sowie die Rufstromkreise sind in den folgenden Schemas nicht dargestellt. Je
nach Standort der Energiezuführung (in der Station oder in der Zentrale) werden zwei verschiedene Betriebssysteme unterschieden.
Lokalbatteriesystem (LB)
LB
Die Station B ist zu
zeichnen.
Die Stationen sind mit
der Zentrale zu verbinden.
Station A
G
Mikrofon
Zentrale
Station B
Übertrager
Hörer
Die Speisung erfolgt beim LB-System ab jeder Station. Damit in der Übertragungsleitung
weniger Verluste auftreten, wird das spannungsschwache Signal des Mikrofonkreises mit
dem Übertrager (Trafo) heraufgesetzt. Dieses an und für sich einfache Prinzip hat den
Nachteil, dass bei Ausfall einer Batterie keine Gespräche mehr geführt werden können.
Anwendungen: Bergwerk, Zivilschutzanlage, Militär (Feldtelefon), Spielzeugtelefon.
Zentralbatteriesystem (ZB)
ZB
Die Station B ist zu
zeichnen.
Die Stationen sind mit der
Zentrale zu verbinden.
Merkhilfe
Der Sprechwechselstrom wird in der Zentrale durch die Kondensatoren weitergeleitet und
durch die Drosseln gesperrt (Hochpass). Die angeschlossenen Stationen werden hingegen
über Drosselspulen gespeist, ohne dass der Sprechwechselstrom über der Batterie kurzgeschlossen wird (Tiefpass). Der Rufstromkreis ist nicht eingezeichnet!
Anwendung: Analog-Zentralen im Ortsnetz mit automatischem Betrieb, Teilnehmervermittlungsanlagen (TVA) in Hotels, Betrieben oder grösseren Wohnungen.
Frequenzabhängigkeit der Widerstände
Drossel
Je nach Stromart werden die aufgeführten Bauteile bei steigender Frequenz niederohmig
(stromdurchlässig) respektive hochohmig (stromsperrend) oder sie sind frequenzunabhängig. Ergänzen. Tabelle entsprechend ergänzen und das Ergebnis mit dem Schema
beim Zentralbatteriesystem vergleichen.
Bauteil
Kondensatoren
Symbol
Drosselspule
mit FE-Kern
Kondensator
Sprechwechselstrom
Speisegleichstrom
XL
I
I
XC
I
R
Widerstand
Widerstand
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2.3
Grundlagen der Telefonie
Grundfunktionen analog
Das Telefon als die klassische Endeinrichtung der Telekommunikation ermöglicht seit mehr
als 100 Jahren Sprach- und Datenübertragung in einem analogen Nutzkanal von 300 Hz
bis 3400 Hz. Die Apparate werden über zwei Adern gespiesen, ausserdem erfolgt über die
gleichen Adern das Sprechen, Hören, Wählen, Steuern und der Ruf. Modernere Geräte
haben ein Display zur Visualisierung der Leistungsmerkmale.
Wirkschaltschema
Modell 29
G
b
Die Stromkreise sind einzufärben.
C
T
Die nachfolgenden Teilschemata sind mit dem
Schema rechts zu vergleichen!
XL
W2
a
J
W1
K
M
Knackschutz
Zusatzwecker
Übertrager
Funktionsweise
Ruf (violett)
a J
1W2
Der Hörer ist aufgelegt (G
C
b
XL
ZW, seriell
Sprechen (rot)
)
Rufstromkreis (Wechselstrom): Klemme a ⇒ Impulskontakt J ⇒ Weckerbrücke W1-W2 ⇒
Wecker XL ⇒ Kondensator C ⇒ Klemme b.
C sperrt Speisegleichstrom. Anstelle einer Weckerbrücke 1W2 konnte bei Apparaten bis
Modell 85 ein serieller Zusatzwecker ZW installiert werden.
Der Hörer ist abgehoben (G
)
Sprechstromkreis: Klemme a ⇒ Impulskontakt J ⇒ Mikrofon M ⇒ Spule 33 Ω
⇒ Gabelkontakt G ⇒ Klemme b.
Mikrofonkreis: Das Mikrofon ändert seinen Widerstand im Rhythmus der Sprachfrequenz,
dies verändert den Speisegleichstrom (Gleichstrom überlagert mit Wechselstrom).
Rückhören: Der Mikrofonstrom
teilt sich auf die Wicklungen 33 Ω und 580 Ω auf und
magnetisiert den Übertrager gegensinnig.
Das Sprechsignal wird wegen der ungleichen Wicklungen gedämpft auf den Hörer übertragen. Ohne das Rückhören hätte der Sprecher den Eindruck die Leitung sei unterbrochen.
Hören (grün)
b
Der Hörer ist abgehoben (G
)
Hörerstromkreis: Der von der Gegenstation über Klemme a kommende Sprechwechselstrom
teilt sich auf:
1. über das Mikrofon und die 33-Ω-Wicklung
2. über die 580-Ω-Wicklung und die 33-Ω-Wicklung
G
Die Wicklungen 33 Ω und 580 Ω des Übertragers werden gleichsinnig durchflossen.
Der ankommende Sprechwechselstrom wird auf die 14-Ω-Wicklung und somit auf den Hörer übertragen.
M
a
Knackschutz: Zwei antiparallel geschaltete Dioden
unterdrücken Knackgeräusche der Zuleitung, die von
Unwettern oder Stromschwankungen parallel liegender Energieleitungen herrühren (heute Varistor).
Wahl (blau)
Der Hörer ist abgehoben (G
G
b
K
a
J
)
Wählstromkreis: Während dem Wählen schliesst der
Kurzschlusskontakt K, dies verhindert ein Knacken im
Hörer. Beim Loslassen der Wählscheibe öffnet sich
der Kontakt J je nach Nummer 1 bis 10mal.
Neuere Stationen haben anstelle des Impulskontaktes
einen Mehrfrequenzwahlbaustein [TK 6.6].
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G
Abnehmen des Mikrotels
t
K
Aufziehen der Wählscheibe
t
J
Rücklauf
1 - 10 mal
t
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2.4
Grundlagen der Telefonie
Begriffe aus der Akustik
Schallwellen und Frequenz
Akustik, die Lehre vom Schall, umfasst alle Erscheinungen, die durch das Ohr wahrgenommen werden, also Schwingungen im Hörbereich. Schallwellen sind Druckwellen in der
Luft. Je höher der Druck (Amplitude), desto dichter die Wellen und umso lauter ist der Ton.
Schallwellen bereiten sich in allen Raumrichtungen in sogenannten Wellenfronten aus.
Schalldruck p der Luft
p
Amplithude
Das Oszillogramm der Stimmgabel zeigt einen Sinuston mit einer Frequenz von 500 Hz
t
hoch
tief
Kammerton
Das Oszillogramm zeigt die Schwingungen des Wortes "AUS" (Massstab wie oben)
Der gültige Stimmton in
einem Orchester ist der
Ton a mit der Frequenz
von 440 Hz.
Frequenz des Buchstaben "U" im Wort "AUS"? __________________________________________________________________________
Tonhöhe und Klang
Die Tonhöhe ist abhängig von der Grundfrequenz. Der Klang eines Tones oder eines Geräusches setzt sich aus der Grundfrequenz f und verschiedenen Obertönen mit den Frequenzen 2f, 3f, usw. zusammen. Die Frequenz f ist der Kehrwert der Periodendauer T.
Ein periodischer Vorgang (Schwingung, Ton) kann aus einer Summe von sinusförmigen
Teilschwingungen zusammengesetzt werden.
Die Frequenzen der Teilschwingungen sind ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz.
Sägezahnsignal
Erzeugung eines Sägezahnsignals aus 5 sinusförmigen Teilschwingungen.
Zusammensetzung
eines Klanges aus
mehreren Tönen:
(Fourier-Synthese)
U
Sägezahn
2f
Frequenzspektrum eines
Sägezahnsignals:
Grundton z.B. f = 500 Hz
Summe aus Grundton und 4 Obertönen
f
3f
u 1 = û sin(t)
1. Oberton, 2f = 1000 Hz
u 2 = û /2 sin(2t)
4f 5f
t
Rechtecksignal
2. Oberton, 3f = 1500 Hz
u 3 = û /3 sin(3t)
3. Oberton, 4f = 2000 Hz
u 4 = û /4 sin(4t)
4. Oberton, 5f = 2500 Hz
u 5 = û /5 sin(5t)
Erzeugung eines Rechtecksignals aus 5 sinusförmigen Teilschwingungen.
Das Signal wird um
so besser, je mehr
Schwingungen hinzugenommen werden.
Frequenzspektrum eines
Rechtecksignals:
U
1
0.5
0
f
0 f
3f
Gundton =
tiefster Ton
5f
7f
9f
Die Abbildungen zeigen, dass für die genaue Übertragung von Signalen mit steilen Flanken (Rechteck, Sägezahn, Impulse) sehr hohe Obertöne übertragen werden müssen. Je
höher die Übertragungsrate, umso genauer das zusammengesetzte Signal. Umgekehrt erzeugen schnelle Ein- oder Ausschaltimpulse von Kontakten oder elektronischen Schaltungen hohe elektromagnetische Oberwellen, welche Störungen verbreiten können.
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2.5
Grundlagen der Telefonie
Hörkurven
Das Ohr
Kurven gleicher Lautstärkepegel in Dezibel (dB) im Hörbereich für Menschen:
140
dB
120
Schmerzgrenze
100
angenehmes Hören
alterndes Ohr
80
60
Hörbereiche
40
Hörschwelle
20
f < 16 Hz = Infraschall
f > 20 kHz = Ultraschall
f
0
20
30 40 50 60 80 100Hz
.2
.3
.4 .5 .6 .8 1kHz 1.5 2
3
4
5 6
8 10k
15 20kHz
Frequenzband der telefonischen Übertragungen markieren (f = 300 - 3400 Hz).
Für die sprachliche Verständigung braucht es den inneren markierten Bereich zwischen
etwa 200 - 3400 Hz, für das Musikhören den Bereich von etwa 30 - 8500 Hz.
Dezibel (dB) ist die Einheit der Lautstärke und stellt eine logarithmische Grösse dar, die
dem menschlichen Hörempfinden angepasst ist. Dabei gilt:
•
•
•
+3 dB: Doppelte Leistung (gleichlaute Schallquellen statt einer) [TK
+6 dB: Doppelter Schalldruck (doppelte Amplitude des Luftdruckes)
+10 dB: Doppelte Lautstärke (vom Menschen empfunden)
14.1]
Lautstärke und Hörschäden
Gesetzliche Grenzwerte
in Discos
- Tanzfläche:
100 dB
- Tanzflächenrand: 95 dB
- Bar, Sitzbereich: 93 dB
Merke
Hörschäden entstehen ab 87 dB.
Grosse Lautstärke kann das Ohr beeinträchtigen und zu Schwerhörigkeit oder gar zu einem Tinnitus (dauernder Pfeifton im Ohr) führen. Entscheidend für die Gefährdung des
Gehöres ist die gesamte Schallenergie, also Einwirkungsdauer und Pegel. Bereits ein einziger lauter Knall kann die feinen Haarzellen im Innenohr so massiv schädigen, dass ein
lebenslanger Hörschaden bleibt. Die SUVA lässt an Arbeitsplätzen höchstens eine Lärmbelastung von 87 dB während 40 Stunden pro Woche zu. Jede Halbierung der Belastungsdauer erlaubt einen um 3 dB höheren Pegel.
Zulässige Belastungsdauer gemäss SUVA
Pegelmessgerät
Ergänzen Sie die maximale wöchentliche Einwirkungsdauer (ohne Hörschäden):
Düsenflugzeug beim Start in 33 m Entfernung, Schmerzgrenze ........ 130 dB
5s
Rockkonzert im Zuschauerbereich, Disco im Tanzbereich .................. 110 dB
______________
Kreissäge, Walkman mit Kopfhörer ...................................................... 105 dB
______________
Presslufthammer, Autohupe (Abstand 5 m) ........................................ 100 dB
______________
Motorrad, Lastwagen (Abstand 5 m) .................................................... 90 dB
______________
Laute Unterhaltung ............................................................................... 60 dB
> ____________
Flüstern, Ticken eines Weckers, Zimmerventilator .............................. 30 dB
> ____________
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2.6
Grundlagen der Telefonie
Schallgeschwindigkeit
Die Schallgeschwindigkeit
hängt vom Medium ab.
Man unterscheidet Luft-,
Flüssigkeits- und Körperschall entsprechend den
verschiedenen Medien.
Die Geschwindigkeiten v
sind zu bezeichnen.
Zum Vergleich: Die Lichtgeschwindigkeit c beträgt 300'000 km/s im Vakuum.
Signalausbreitungsgeschwindigkeit
Die Signalausbreitungsgeschwindigkeit in Kabeln wird in Prozent der Lichtgeschwindigkeit
angegeben, auf Englisch "Nominal Velocity of Propagation" (NVP). Sie ist aus dem Datenblatt des jeweiligen Kabelherstellers zu entnehmen. Üblicherweise liegt dieser Wert zwischen NVP = 65 % für Glasfaser- und NVP = 80 % für Kupferleitungen.
Spannungen, Ströme und Frequenzen
Versuche
1. Schnurtelefon
2. Darstellung von Tonquellen mit Lautsprecher und Oszilloskop.
3. Messung des
Frequenzganges
beim Gehör.
4. Darstellung mechanischer Schwingung
auf Glasscheibe.
Glasscheibe mit einer Kerze einschwärzen. Mit einer langen
schwingenden Stimmgabel, an der eine Spitze Nadel befestigt
ist, die Sinusschwingung an einem Hellraumprojektor zeigen.
5. Messung der Kabelreflexionen.
Bei welchem Abschlusswiderstand
sieht das Signal am
besten aus?
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