DE3852023T2

DE3852023T2 - Kommunikationssystem für die Übertragung von Breitband- und Basisbandinformation.

Info

Publication number: DE3852023T2
Application number: DE3852023T
Authority: DE
Inventors: Henry Robert Foglia
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1988-02-17
Filing date: 1988-12-20
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2008-12-21
Also published as: JPH027742A; EP0329912A3; DE3852023D1; US4885747A; EP0329912A2; JP2525886B2; EP0329912B1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Kommunikationssysteme und spezieller auf ein Kommunikationssystem, das Hochfrequenz- und Niederfrequenzsignale überträgt.
Aufgrund der Vielfalt der Geräte, die heutzutage für den privaten und geschäftlichen Einsatz erhältlich sind, wird ein gemeinsames Kommunikationssystem benötigt, das in der Lage ist, gemischte Informationen zu übertragen. In der bisherigen technischen Entwicklung wurde diesem Erfordernis bereits durch die Entwicklung des sogenannten "Data Over Voice"-Kommunikationssystems (DOV) Rechnung getragen.
Das DOV-Kommunikationssystem ist ein bekanntes Verfahren zum gleichzeitigen Senden und Empfangen eines analogen Sprachsignals und eines digitalen Datensignals über eine gemeinsame Zweidraht- Signalleitung. Es handelt sich um ein Randtrennsystem, bei dem die Digitaldaten im FSK-Verfahren einem Hochfrequenz-Trägersignal aufmoduliert und auf einer Signalleitung überlagert werden. So läßt sich das FSK-modulierte Hochfrequenz-Datensignal auf einfache Weise durch eine Filterschaltung vom niederfrequenten Sprachsignal trennen. Eine ausführlichere Reschreibung des DOV- Systems enthält die US-Patentschrift 4 670 874. Zu den Nachteilen dieses Systems gehört die Tatsache, daß es nur eine eingeschränkte Randbreitennutzung zuläßt; somit stehen bestimmte Frequenzen innerhalb des Übertragungsspektrums nicht für die Nutzung zur Verfügung.
Eine weitere Erläuterung eines Verfahrens zur Übertragung von zwei Signalen über dieselbe Leitung enthält die US-Patentschrift 1 812 624. Andere Verfahren, die den Einsatz von Übertragern zur Unterdrückung des Bauschens auf einer Übertragungsleitung beschreiben, werden in der US-Patentschrift 3 223 920 dargestellt.
Die allgemeine Zielsetzung dieser Erfindung besteht deshalb darin, ein effizienteres Kommunikationssystem zur Verfügung zu stellen, als dies bisher möglich gewesen ist.
Eine speziellere Zielsetzung der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Kommunikationssystem mit praktisch unbeschränkter Randbreitennutzung sowohl für Basisband- als auch für Breitbandsignale zur Verfügung zu stellen.
Das verbesserte Kommunikationssystem umfaßt ein Breitbandnetz, das Breitbandsignale überträgt, und ein Basisbandnetz, das Basisbandsignale überträgt. Eine erste F-Koppler-Schaltungsanordnung nimmt die Basisband- und Breitbandsignale auf und führt die Breitbandsignale und Basisbandsignale auf einem Ende eines abgeschirmten verdrillten Zweidrahtkabels zusammen. Ein zweiter F- Koppler ist mit dem gegenüberliegenden Ende des abgeschirmten verdrillten Zweidrahtkabels gekoppelt. Der zweite F-Koppler trennt und verteilt die Breitband- und Basisbandsignale auf die jeweils zugehörigen Steckverbinder, mit denen die Nutzergeräte verbunden sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt der F-Koppler eine Filterschaltung, die mit einem ersten Steckverbinder für die Rasisbandübertragung abschließt, und einen Breitbandübertrager, der in einer Tandemanordnung mit der Filterschaltung verbunden ist und mit einem zweiten Steckverbinder für die Breitbandübertragung abschließt. Die Filterschaltung umfaßt zwei Spulen (L), die räumlich getrennt angeordnet sind, so daß zwei Enden der Spulen einen Eingangsanschluß zur Verbindung mit dem ersten Steckverbinder bilden und daß die beiden anderen Enden der Spulen einen Ausgangsanschluß bilden. Getrennt angeschlossene RC- Netzwerke koppeln den Ausgangsanschluß an ein Rezugspotential (vorzugsweise Masse). Der Hochfrequenzübertrager umfaßt drei Spulen, die an einem Ferritkern symmetrisch angeordnet und so gepolt sind, daß die Basisbandsignale als symmetrisches Signal auf dem verdrillten Zweidrahtkabel und die Breitbandsignale als asymmetrisches Signal auf dem verdrillten Zweidrahtkabel geführt werden, und zwar jeweils relativ zur Abschirmung des Kabels.
Die passiven Schaltungen in der obigen Ausführungsform des F-Kopplers isolieren die Breitband- und die Basisbandübertragung auf zwei Arten wirksam voneinander. Die Breitbandsignale können nicht auf den ersten Steckverbinder gelangen, der mit dem Basisband-Signalanschluß verbunden ist, und die Basisbandsignale können nicht auf den zweiten Steckverbinder gelangen, der mit dem Breitband-Signalanschluß verbunden ist. Darüber hinaus können die Hochfrequenzübertragungen von Basisbandgeräten, die mit dem Basisband-Signalanschluß verbunden sind, nicht auf den zweiten Steckverbinder gelangen. Diese zweite Eigenschaft ist wichtig, da viele Geräte, die Basisband- (Niederfrequenz-) Signale übertragen, daneben auch Hochfrequenz- (Breitband-) Störsignale übertragen, die den Basisbandbetrieb nicht beeinträchtigen, die aber eine auf demselben Kabel ablaufende Breitbandübertragung stören könnten.
In einer zweiten Ausführungsform umfaßt der F-Koppler einen Impedanzanpassungstransformator mit einem Wicklungspaar, dessen Eingänge in einem Basisband-Signalanschluß enden, und einem Ausgangskontaktpaar, von denen jeder über eigene Kondensatoren mit einem Rezugspotential verbunden ist. Ein Richt-Koppelübertrager mit einer einpoligen Eingangswicklung ist mit einem Breitband- Signalanschluß und mit einem Paar zwischengeschalteter Wicklungen verbunden, die mit den Ausgangskontakten des Impedanzanpassungstransformators verbunden sind. Der Impedanzanpassungstransformator sorgt dafür, daß das Basisbandsignal symmetrisch weitergeleitet wird; der Richt-Koppelübertrager dagegen sorgt dafür, daß das Breitbandsignal asymmetrisch weitergeleitet wird.
Der F-Koppler bietet hervorragende Rauschunterdrückung und Signaltrennung, so daß Basisbandsignale und/oder Rauschen, die/das an den Basisband-Signalanschluß gekoppelt sind, an den Breitband-Signalanschluß gekoppelte Geräte nicht beeinträchtigen (d. h. stören). In ähnlicher Weise stören Breitband- und/oder Rauschsignale, die an den Breitbandanschluß gekoppelt sind, keine mit dem Basisbandanschluß gekoppelten Geräte.
Diese und andere Zielsetzungen und Vorzüge der Erfindung werden im Anschluß mit Rezug auf die beigefügten Zeichnungen aus führlicher beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm eines verbesserten Kommunikationssystems gemäß den Prinzipien der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Verteilungsstrecke in dem Kommunikationssystem und einen elektrischen Schaltplan für eine Ausführungsform des F-Kopplers.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm des Signalspektrums für verschiedene Signaltypen in dem verbesserten Kommunikationssystem von Figur 1.
Fig. 4 zeigt eine Verteilungsstrecke in dem Kommunikationssystem und einen elektrischen Schaltplan einer alternativen Ausführungsform des F-Kopplers.
Fig. 1 ist ein Diagramm eines Kommunikationssystems gemäß den Prinzipien der Erfindung. Das Kommunikationssystem von Fig. 1 umfaßt ein Backbone-Kommunikationsnetz 10, das aus dem Breitband-Kommunikationsnetz 12 und dem Basisband-Kommunikationsnetz 14 besteht. "Backbone-Kommunikationsnetz" im Sinne dieser Anwendung bedeutet eine nicht direkt mit den Geräten des Anwenders verbundene Einrichtung zur Übertragung elektrischer Signale. Entsprechend bezieht sich der Regriff "Basisbandsignale" auf die Übertragung von Informationen im Frequenzbereich zwischen 0 und 50 MHz, "Breitbandsignale" auf die Übertragung von Informationen im Frequenzbereich zwischen 50 MHz und 300 MHz.
"Symmetrischer Signalmodus" bezieht sich auf denjenigen Signalzustand, bei dem die Amplituden der Signale, die an die beiden Adern eines abgeschirmten verdrillten Zweidrahtkabels angelegt werden, relativ zur Abschirmung oder zu Masse entgegengesetzt gepolt sind.
"Asymmetrischer Signalmodus" bezieht sich auf denjenigen Signalzustand, bei dem die Amplituden der Signale, die an die beiden Adern eines abgeschirmten verdrillten Zweidrahtkabels angelegt werden, relativ zur Abschirmung oder zu Masse gleich oder ähnlich gepolt sind.
"Gleichmäßig asymmetrischer Signalmodus" bezieht sich auf denjenigen Signalmodus, bei dem die Signale auf beiden Adern des verdrillten Zweidrahtkabels relativ zur Abschirmung oder zu Masse gleich gepolt und von gleicher Amplitude sind.
Die Netze schließlich, die die Breitband- und Basisbandsignale übertragen, sind entsprechend begrifflich gekennzeichnet. So überträgt ein Breitbandnetz Breitbandsignale etc.
Noch immer in bezug auf Fig. 1 ist das Breitband-Kommunikationsnetz 12 auf die Übertragung elektrischer Breitbandsignale spezialisiert, das Basisband-Kommunikationsnetz 14 dagegen auf die Übertragung elektrischer Basisbandsignale. Die beiden Netze gemeinsam sind in der Lage, Sprach-, Daten-, Bild-, Grafik-, Textinformationen etc. zu übertragen. Das Kommunikationssystem von Fig. 1 fügt Breitband- und Basisbandsignale zusammen und liefert sie in einem gemeinsamen Verteilungssystem 16 an Geräte im Büro des Renutzers. Das Breitband-Kommunikationsnetz enthält ein Koaxialkabel, das Breitbandsignale an ein Anzapf-/Verknüpfungsmittel 18 überträgt. Ein Signaltrennungsanschluß 20 verbindet das Anzapf-/Verknüpfungsmittel 18 mit dem Koaxialkabel. Das Anzapf- /Verknüpfungsmittel 18 spaltet die Hochfrequenzsignale vom Koaxialkabel auf und verteilt die Signale auf die mit Nummer 22 bezeichneten Leitungen. Wie im Anschluß erläutert wird, werden die Hochfrequenzsignale auf den Leitungen 22 über die Ringleitungsschleifen 32, 34 und 36 des IBM Kabelsystems (im folgenden beschrieben) und F-Koppler (weiter hinten beschrieben) in die einzelnen Büros übertragen. Die Bündel des IBM Kabelsystems werden gelegentlich als Verteilungsstrecken oder Ringleitungsschleifen-Baugruppen bezeichnet.
Ein Kopfstellen-Signalverteilungsmittel 24 ist mit dem Koaxialkabel verbunden. Das Kopfstellen-Signalverteilungsmittel 24 führt eine Multiplex-Verteilung der Hochfrequenzsignale von einer Mehrzahl von Übertragungsmedien (mit Nummer 26 bezeichnet) durch. Jedes einzelne Übertragungsmedium 26 ist mit einem eigenen Gerät verbunden, z. B. Hochfrequenzantennen, Videorecorder, Fernsehkameras etc. Ein Koaxialkabel 28 verbindet einen IBM PC- NETWORK-Übersetzer 30 mit dem Kopfstellen-Signalverteilungsmittel. Die Aufgabe des IBM PC-NETWORK-Übersetzers 30 besteht darin, elektrische Signale mit einer ersten Frequenz zu empfangen, die Signale mit einer höheren Frequenz zu reproduzieren und das Hochfrequenzsignal einem lokalen PC- (Personal Computer) Breitbandnetz (LAN) zuzuführen. Das Breitband-LAN ist in Fig. 1 nicht dargestellt, kann aber so ausgeführt sein wie im IBM PC- NETWORK LAN-Dokument Nr. 68X2268 beschrieben. Dieser LAN-Typ kann zur Verbindung einer Mehrzahl von Personal Computern und anderer Datenstationen verwendet werden. Es ist zu beachten, daß im Backbone-Netzwerk andere Übertragungsmedien als Koaxialkabel oder verdrillte Zweidrahtkabel verwendet werden können. Andere Übertragungsmedien können z. B. Glasfasern etc. sein.
Noch immer bezugnehmend auf Fig. 1 kann das Basisband-Kommunikationsnetz 14 ein Kommunikationsnetz beliebigen Typs enthalten, das Informationen im Frequenzbereich von Gleichspannung bis 50 MHz überträgt. Ein bekanntes Kommunikationsnetz, das Informationen in diesem Frequenzbereich übertragen und/oder empfangen kann, ist das IBM Token-Ring-Netz. Das Token-Ring-Netz umfaßt das IBM Kabelsystem, die daran befindliche Ausrüstung und die Protokolle für den Betrieb der Ausrüstung am Token-Ring-Netz. Es ist zu beachten, daß das IBM Token-Ring-Netz den vom IEEE-Ausschuß festgelegten Standard 802.5 zum Teil beinhaltet. Einzelheiten über das IBM Kabelsystem (ICS) enthält das Dokument "IBM Cabling System Planning and Installation Guide" (GA2W-3361-6) Auf beide Handbücher wird hierin Bezug genommen. Da das ICS in den genannten Handbüchern vollständig dargestellt ist, werden nur diejenigen Abschnitte dieser Handbücher beschrieben, die für das Verständnis der Erfindung erforderlich sind. Das ICS ist ein strukturierter Ansatz zur sternförmigen Verkabelung eines Gebäudes. Das ICS enthält eine Mehrzahl von Schaltschränken (von denen in Fig. 1 nur einer dargestellt und mit Nummer 14 bezeichnet ist), die in Form einer seriellen Schleife durch zwei abgeschirmte verdrillte Zweidrahtkabel verbunden sind. In Fig. 1 ist nur eines dieser abgeschirmten verdrillten Zweidrahtkabel dargestellt; in der Realität werden aber zwei abgeschirmte verdrillte Zweidrahtkabel für 32, 34 und 36 verwendet. Der Schaltschrank bildet den Mittelpunkt für jeden der Kabelsterne. Die durch den Schaltschrank verlaufenden Signale sind durch Pfeile gekennzeichnet.
Der Schaltschrank ist der Übergangspunkt, an dem das Backbone- Kommunikationsnetz mit dem Verteilungs-Kommunikationssystem 16 verbunden ist. Das Verteilungs-Kommunikationssystem 16 überträgt sowohl Basisband- als auch Breitbandsignale in das Büro des Kunden. Das Verteilungs-Kommunikationssystem umfaßt eine Mehrzahl von Ringleitungsschleifen-Baugruppenmitteln, von denen drei in Fig. 1 dargestellt und mit den Nummern 32, 34 und 36 bezeichnet sind. Jedes Ringleitungsschleifen-Baugruppenmittel stellt Übertragungsdienste zu einem bestimmten angeschlossenen Gerät bzw. einer Gerätegruppe zur Verfügung. So stellt das Ringleitungsschleifen-Baugruppenmittel 32 den angeschlossenen Geräten Übertragungsdienste zur Verfügung. Zu den angeschlossenen Geräten gehören PC-Datenendgeräte, PC-Netzstationen und Fernsehmonitore. Es ist zu beachten, daß der Fernsehmonitor und die PC-Netzstation in unterschiedlichen Hochfrequenzbereichen arbeiten und die HF-Trenneinheit 38 die Hochfrequenzsignale entsprechend aufteilt.
In ähnlicher Weise stellt das Ringleitungsschleifen-Baugruppenmittel 34 Ringleitungsschleifen-Übertragungsdienste für die Anzeigegruppe 39 zur Verfügung, zu der beispielsweise die von International Business Machines gefertigten und vertriebenen Anzeigeeinheiten 3278/9 gehören können. Das Ringleitungsschleifen- Baugruppenmittel 36 schließlich bietet Übertragungsdienste für die angeschlossene Fernsehkamera und Datenendeinrichtung (DEE) 41. Zur DEE 41 gehören eine Reihe von Datenstationen und/- oder andere Geräte, die Signale im Basisband-Frequenzbereich empfangen und/oder senden können. Jedes der angeschlossenen Geräte ist mit entsprechenden Adapterkarten ausgestattet. Die PC- Datenstation beispielsweise ist mit einem der folgenden Adapter ausgestattet:
IBM Token Ring Network PC Adapter Card Nr. 6339100,
IBM Technical Requirements T.R. Network PC Adapter Nr. 6165876 und Nr. 69X7713 und 69X7715 und
IBM Network Adapter 2 Nr. 96X5663. Weiter in bezug auf Fig. 1 sind die Ringleitungsschleifen-Baugruppenmittel 32 und 36 mit dem Token-Ring-Kommunikationsmittel über eine Mehrfach-Zugangseinheit (nicht dargestellt) gekoppelt. Die Mehrfach-Zugangseinheit wird in der US-Patentanmeldung mit dem Titel "Local Area Network Station Connector", Seriennr. 749369, dargestellt und beschrieben, auf die hierin Bezug genommen wird. Es sind nur zwei mit dem Token-Ring-Netz gekoppelte Ringleitungsschleifen- Baugruppen dargestellt; an-die Mehrfach-Zugangseinheit können aber mehr als zwei Ringleitungsschleifen angeschlossen werden. In einer speziellen Ausführungsform werden über die Mehrfach-Zugangseinheit acht Ringleitungsschleifen an den Token-Ring angeschlossen. Da die Mehrfach-Zugangseinheit in der genannten Quelle vollständig beschrieben wird, werden ihr Aufbau und Betrieb hier nicht im einzelnen dargestellt. Zur Information möge genügen, daß die Mehrfach-Zugangseinheit eine Mehrzahl von Schaltanordnungen mit Umgehungsrelais enthält, die jeweils eine Ringleitungsschleifen-Baugruppe mit dem Token-Ring koppeln. In Fig. 1 befindet sich das (nicht dargestellte) Umgehungsrelais, das der Ringleitungsschleifen-Baugruppe 32 zugeordnet ist, im geschlossenen Zustand und verbindet Ringleitungsschleifen-Baugruppe 32 mit dem Token-Ring. Ebenso ist das (nicht dargestellte) Umgehungsrelais, das der Ringleitungsschleifen-Baugruppe 36 zugeordnet ist, geöffnet und trennt so die Ringleitungsschleifen vom Token-Ring. In der Regel trennen die Relais die Ringleitungsschleifen-Leitungen inaktiver Endgeräte und/oder Geräte vom Ring. In ähnlicher Weise verbinden die Relais die Ringleitungsschleifen aktiver Geräte mit dem Ring. In der Realität bildet die Mehrfach-Zugangseinheit einen komplexeren Pfad aus Umgehungsrelais; sie ist hier in Fig. 1 aber vereinfacht dargestellt und hat keinen Einfluß auf die Erfindung. Es ist zu beachten, daß das Ringleitungsschleifen-Baugruppenmittel 34 nicht mit dem Token-Ring verbunden ist. Statt dessen ist es mit einer (nicht dargestellten) Sammeleinheit verbunden, die im "Home-Run"-Verfahren an eine (nicht dargestellte) zentrale Rechenanlage angeschlossen ist. Die Anschlüsse an die Mehrfach-Zugangseinheit und an die Sammeleinheiten im Schaltschrank erfolgen über Steckleitungen. Das heißt, bei einer Neuverdrahtung infolge der Verlegung einer Datenstation oder der Verschiebung einer Datenstation vom Token-Ring-System zum zentralen System ist es lediglich erforderlich, am Schaltschrank zwei Steckleitungen umzustecken.
Bei diesem strukturierten Verkabelungsprinzip müssen keine neuen Kabel gezogen werden. Noch immer in bezug auf Fig. 1 umfaßt jedes der Ringleitungsschleifen-Baugruppenmittel zwei verdrillte Zweidrahtleitungen (nur eine dargestellt) in einem abgeschirmten Kabel. Ein Filterkoppler (F-C) ist mit den gegenüberliegenden Enden des verdrillten Zweidrahtkabels verbunden. Einer der F- Koppler empfängt Breitbandsignale auf den Leitungen 22 und Rasisbandsignale vom Token-Ring, führt beide Signale auf die entsprechenden abgeschirmten verdrillten Zweidrahtkabel zusammen und liefert das Signal gleichzeitig an den anderen F-Koppler. Der andere F-Koppler sollte sich vorzugsweise an der Wand des Büros befinden.
Der (nicht dargestellte) F-Koppler an der Bürowand verteilt als Demultiplexer das Signal an die jeweils angeschlossenen Geräte. In Fig. 2 ist der P-Koppler, der mit den gegenüberliegenden Enden des abgeschirmten verdrillten Zweidrahtkabels verbunden ist, im einzelnen dargestellt. Da die beiden F-Koppler identisch sind, werden ähnliche Bauteile in den Kopplern durch gemeinsame Nummern bezeichnet. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird der am Schaltschrank angeschlossene F-Koppler als "ICS-Sender" und der am Geräteende des verdrillten Zweidrahtkabels angeschlossene F-Koppler als "ICS-Empfänger" bezeichnet. Der F-Koppler besteht aus einem Breitband-Übertrager 40, der in einer Tandemanordnung mit dem Filternetz 42 zusammengeschaltet ist. Im Sinne dieser Anwendung bedeutet "Breitband" ein Signal im Frequenzbereich von 50 MHz bis 300 MHz und darüber. "Breitband" bezeichnet allgemein Hochfrequenz-Bandbreiten. In Anwendungen war ihr Einsatz im allgemeinen auf HF-Gemeinschaftsantennenanlagen beschränkt. Anfänglich war die Bandbreite auf 50 MHz bis 300 MHz eingeschränkt; beim heutigen Stand der Technik wurde sie bis auf 450 MHz und 600 MHz erweitert. Die untere Grenze wurde bis auf 5 MHz nach unten verschoben. Der Breitband-Übertrager enthält drei Wicklungen N1, N2 und N3. Die Wicklungen sind in jeder Hinsicht identisch und symmetrisch auf einem Trägerkern angeordnet. Eine der Wicklungen, N3, ist über den Breitband-Signalanschluß mit einem Breitbandsteckverbinder verbunden, der dazu dient, eines der in Fig. 1 dargestellten Breitbandgeräte mit dem Netz zu verbinden. Als Breitbändsteckverbinder kann ein beliebiger konventioneller, handelsüblicher Koaxial-Steckverbinder verwendet werden. Die Wicklungen N1 und N2 sind gleich, eng gekoppelt und so gepolt, daß Basisbandsignale, die am Basisband-Signalanschluß eingespeist werden, symmetrisch auf jeden Leiter des verdrillten Zweidrahtkabels geführt werden.
In ähnlicher Weise wird das am Breitbandanschluß in Wicklung N3 eingespeiste Breitbandsignal relativ zur Abschirmung 44 des abgeschirmten verdrillten Zweidrahtkabels 32 asymmetrisch übertragen. Das Verhalten der Signale auf den Leitungen des abgeschirmten verdrillten Zweidrahtkabels ist sehr wichtig und an den Wicklungen N1 und N2 durch Punkte schematisch dargestellt. Als Ergebnis dieser Konfiguration der Übertragerwicklungen werden die Informationen des symmetrischen Basisbandsignals mit minimalen Einspeiseverlusten weitergeleitet. Die am Breitband-Signalanschluß eingespeisten HF-Signale jedoch werden gleichmäßig asymmetrisch gekoppelt und breiten sich auf den Leitern des verdrillten Zweidrahtkabels in beiden Richtungen aus. Die Filterschaltungsanordnung umfaßt getrennte, aber identische L-C-R- Schaltungen, die an beiden Leitern des verdrillten Zweidrahtkabels angeordnet sind. Der L-Teil der jeweiligen L-C-R-Schaltung ist mit dem Basisband-Signalanschluß verbunden, der wiederum mit einem (nicht dargestellten) Basisbandsteckverbinder verbunden ist. Der Basisbandsteckverbinder kann von dem in der US-Patentschrift 4 501 459 dargelegten Typ sein; hierin wird darauf Bezug genommen. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurden für die Filterbauteile die folgenden Werte gewählt:
L = 300 Nanohenry
R = 75 Ohm und
C = 75 pF (Mikro-Mikrofarad)
Die Werte sind so gewählt, daß die Induktivität der Spule L dazu beiträgt, den Basisband-Signalanschluß oberhalb von 40 Megahertz zu isolieren, während die Werte für C und R so gewählt sind, daß die Abschlußimpedanz minimiert wird, die mit dem (nicht dargestellten) Abschlußwiderstand am Breitband-Signalanschluß gemeinsam wirkt.
Es ist zu beachten, daß aufgrund der Tatsache, daß das Basisbandsignal symmetrisch und das Breitbandsignal auf dem abgeschirmten verdrillten Zweidrahtkabel "gleichmäßig asymmetrisch" ist, die Basisband-Empfängerschaltung für etwa austretende Breitbanddaten unempfindlich ist. Umgekehrt ist ein mit dem Breitband-Signalanschluß verbundener Breitbandempfänger unempfindlich für die symmetrischen Basisbanddaten, da diese am Breitband-Signalanschluß nicht in Erscheinung treten. Das heißt, Basisbanddaten breiten sich symmetrisch aus, Breitbanddaten dagegen "gleichmäßig asymmetrisch". Somit bietet ein an beiden Enden des abgeschirmten verdrillten Zweidrahtkabels angeschlossener P-Koppler die Möglichkeit, HF-Signale einzuspeisen und abzugreifen, bevor sie den Basisband-Signalanschluß erreichen. Das Verständnis dieser theoretischen Grundlagen ist die Voraussetzung für das Verständnis der Tatsache, daß der P-Koppler der wichtigste Bestandteil der Erfindung ist.
Darüber hinaus ist die Signaldämpfung in beiden Fällen unterschiedlich. Der Leitungswiderstand für Basisbandsignale liegt im symmetrischen Fall in Serie (2R) und im asymmetrischen Fall parallel (R/2)
Die Dämpfung dieses Kabels beträgt AL = R/2 ZO, wobei R den (frequenzabhängigen) Serienwiderstand und ZO die charakteristische Impedanz bezeichnet. Wie später noch erläutert wird, ist die symmetrische charakteristische Impedanz ZOB 3mal so groß wie die asymmetrische Impedanz ZOU. Folglich beträgt die Dämpfung beim asymmetrischen Signal 3/4 der Dämpfung beim symmetrischen Signal. Dies bedeutet einen deutlichen Vorteil der Breitbandsignale.
Es ist ebenfalls zu beachten, daß die HF-Übertragung von Basisbandgeräten, die mit dem Basisband-Signalanschluß verbunden sind, nicht zu dem (nicht dargestellten) Koaxialsteckverbinder gelangen kann, der mit dem Breitband-Signalanschluß verbunden ist. Diese Eigenschaft ist von Bedeutung, da viele Geräte, die Basisbandsignale übertragen, daneben auch Hochfrequenz-Störsignale übertragen, die den Basisbandbetrieb nicht beeinträchtigen, aber die Breitbandübertragung auf demselben Kabel stören könnten.
Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung des Signalspektrums und die Zuordnung von Datensignalen, die im Basisband-Frequenzbereich übertragen werden, und von VHF-Signalen, die im Breitband- Frequenzbereich übertragen werden. Das Diagramm ist nützlich zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen Signalen, die sich gemeinsam auf demselben Ringleitungsschlei fen-Baugruppenmittel befinden, das den Schaltschrank mit dem Büro verbindet (Fig. l) In Fig. 3 ist die Frequenz auf der horizontalen Achse aufgetragen, die Amplitude auf der Ordinate bzw. vertikalen Achse. Der Frequenzbereich, in dem Daten für Basisbandgeräte übertragen werden, ist im Diagramm mit "ICS-Daten" bezeichnet. Informationen für die PC Netzwerk-Stationen und andere Geräte werden auf einer Frequenz gesendet, die in Fig. 3 mit "PC Netzwerk-Daten - Sendung" bezeichnet ist, und mit einer höheren Frequenz empfangen, die mit "PC Netzwerk-Daten - Empfang" bezeichnet ist.
Der von den Hochfrequenzgeräten verwendete Frequenzbereich ist mit "VHF TV" bzw. "VHF" bezeichnet. Hierbei kann es sich um typische Signale von Gemeinschaftsantennenanlagen handeln, die den NCTA-Normen für Bandbreite, Frequenzzuweisung und Signalamplituden entsprechen.
Fig. 4 zeigt eine Verteilungsstrecke mit einer alternativen Ausführungsform der F-Koppler 50 und 51, die mit den gegenüberliegenden Enden eines Abschnitts des Kommunikationsmediums 52 verbunden sind.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Kommunikationsmedium ein abgeschirmtes verdrilltes Zweidrahtkabel ähnlich dem Kabel in Fig. 2. In "IBM Cabling System Technical Interface Specification" (GA2-73773) ist eine Einzelbeschreibung dieses Kabels dargelegt, auf die hierin Bezug genommen wird. Im Hinblick auf diese Veröffentlichung werden nur diejenigen Merkmale des Kabels beschrieben, die für die Erfindung relevant sind. Für symmetrische Signale, die sich entlang des Kabels ausbreiten, beträgt die charakteristische Impedanz (ZOB) 150 Ohm. Entsprechend beträgt die charakteristische Impedanz ZOU für asymmetrische Signale 50 Ohm.
Wie im folgenden beschrieben wird, verfügt der F-Koppler über charakteristische Impedanzen, die denen des Kabels entsprechen.
Somit sind die Signale, die der F-Koppler im symmetrischen und asymmetrischen Modus weiterleitet, ordnungsgemäß abgeschlossen. Anders ausgedrückt: Der F-Koppler-Anschluß, der mit Niederfrequenzgeräten verbunden wird, weist eine charakteristische Impedanz (ROB) von 150 Ohm auf; entsprechend hat der F-Koppler-Anschluß, der mit den Hochfrequenzgeräten verbunden ist, eine charakteristische Impedanz von 50 Ohm.
Noch immer in bezug auf Fig. 4 sind die F-Koppler 50 und 51 identisch. Daher werden zur Rezeichnung identischer Bauteile gleiche Nummern verwendet. Der F-Koppler enthält einen Impedanzanpassungstransformator 54, der mit einem Basisband-Signalanschluß verbunden ist. Wie weiter oben beschrieben wurde, sind Geräte, die Informationen innerhalb des Basisband-Signalbereichs übertragen, mit dem Basisband-Signalanschluß verbunden. Die Kondensatoren 56 und 58 koppeln den Impedanzanpassungstransformator mit einem Rezugspotential wie Masse. Der Richtübertrager 60 ist mit dem Impedanzanpassungstransformator gekoppelt und mit dem Breitband-Signalanschluß verbunden. Über den Breitband-Signalanschluß werden Geräte angeschlossen, die Informationen innerhalb des Breitbandsignalbereichs übertragen. Breitbandsignale, die am Breitband-Signalanschluß des F-Kopplers 50 eingespeist werden, werden am Breitband-Signalanschluß des F-Kopplers 51 abgenommen. Entsprechend werden Basisbandsignale, die am Basisband-Signalanschluß des F-Kopplers 50 eingespeist werden, am Basisband-Signalanschluß des F-Kopplers 51 abgenommen. Darüber hinaus werden Basisband- und Breitbandsignale gleichzeitig auf dem verdrillten Zweidrahtkabel übertragen und belegen die gleiche Bandbreite. Außerdem können Geräte, die Breitbandsignale übertragen, mit dem Basisband-Signalanschluß, und Geräte, die Basisbandsignale übertragen, mit dem Breitband-Signalanschluß verbunden werden.
Noch immer in bezug auf Fig. 4 koppelt der Richt-Koppelübertrager 60 diejenigen Signale, die die Kommunikationsverbindung in einer einzigen (als "bevorzugte Richtung" bezeichneten) Richtung passieren, die durch die Pfeile 62 bezeichnet ist. Signale, die sich in der Gegenrichtung ausbreiten, werden nicht gekoppelt. Aufgrund dieser Richtungsabhängigkeit werden asymmetrische Signale, die in Fig. 4 auf dem Kabel aufwärts und abwärts wandern, wirksam mit den Breitbandwicklungen und den zugehörigen Ausgangsanschlüssen gekoppelt. Somit sind die asymmetrischen Breitbandsignale zwischen den beiden Breitbandanschlüssen und dem dazwischenliegenden Kabel eingeschlossen. Da die gesamte Signalenergie aus dem einen Ende der Ausgangswicklung N3 austritt, wie dargestellt, ist ein Anschluß des anderen Endes dieser Wicklung praktisch nicht erforderlich. Da außerdem dieses asymmetrische Signal praktisch vollständig vom Richt-Übertrager abgenommen wird, gelangt kein asymmetrisches Signal an diesem Punkt vorbei zu den Basisbandanschlüssen. Der asymmetrische Signalanteil, der zum Impedanzanpassungstransformator durchdringt, wird von diesem Impedanzanpassungstransformator stark gedämpft, der hier als Gleichtaktfilter wirkt.
Wieder in bezug auf Fig. 4 besitzt der Übertrager 60 drei Wicklungen, die mit N1, N2 und N3 bezeichnet sind. Wicklung N3 ist eine einpolige Wicklung, die Breitbandsignale aufnimmt. Die Wicklungen N1, N2 und N3 sind um einen magnetischen Kern, z. B. einen Ringkern, gewickelt. Wicklung N1 = N2, aber Wicklung N3 kann zur Anpassung an den (nicht dargestellten) Abschlußwiderstand, der an die Wicklung N3 angeschlossen ist, eine abweichende Größe haben.
Der Richt-Übertrager ist konstruktiv speziell ausgelegt für Richtwirkung, exakte Impedanzanpassung für sowohl die symmetrischen als auch die asymmetrischen Signale, die auf dem Kabel weitergeleitet werden, und selektive Signaltrennung. Induktivität und Kapazität der Wicklungen N1, N2 und N3 werden entsprechend gewählt. Für die Beschreibung soll der Richt-Koppelübertrager als Breitband-Impedanzanpassungstransformator betrachtet werden, bei dem eine dritte Wicklung N3 auf dem Übertrager-Backbone-Kern angeordnet ist. Die Wicklungen sind so angeordnet, daß die Kapazität zwischen den Wicklungen und die Gegeninduktivität zwischen den Spulen N1 und N2 die folgende Bedingung erfüllt:
ZOB = LB/C1,2
wobei ZOB der charakteristischen Impedanz für die Ausbreitung symmetrischer Signale über die Spulen N1 und N2 bei vorhandener dritter Wicklung entspricht. LB entspricht der Gegeninduktivität für Signale, die symmetrisch übertragen werden, und C1,2 entspricht der Retriebskapazität zwischen Spule 1 und Spule 2. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist für die charakteristische Impedanz ZOB zwischen den Wicklungen N1 und N2 bei vorhandener dritter Wicklung N3 der Wert 150 Ohm gewählt. Die dritte Wicklung N3 ist räumlich getrennt, aber magnetisch mit N1 und N2 gekoppelt, so daß
ZOU = LU/C1,2,3
wobei ZOU der charakteristischen Impedanz des Richtübertragers bei Betrieb im asymmetrischen Modus entspricht, LU der Induktivität zwischen den Spulen N1, N2 und N3 und C1,2,3 der Kapazität zwischen den Spulen. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist für ZOU der Wert 50 Ohm gewählt.
Das Prinzip der Richtkopplung von Übertragungsleitungen wird in "Directional Electromagnetic Couplers" von Bernard M. Olive, Proceedings of International Radio Engineering (I.R.E.), Vol. 42, S. 1686 bis 1692, November 1954, erläutert; darauf wird hierin Bezug genommen. Wie in dem Referenzdokument ausgeführt wird, gilt für unendliche Richtwirkung ROU·RLU = M1,2,3/C1,2,3, wobei ROU den Ersatzwiderstand der charakteristischen Impedanz ZOU bezeichnet. In bezug auf Fig. 4 ist ROU derjenige Widerstand, der mit dem einpoligen Breitband-Signalanschluß zu verbinden ist. RLU ist der Abschlußwiderstand, der mit dem offenen Ende 66 der Spule N3 zu verbinden ist. M1,2,3 bezeichnet die Gegeninduktivität zwischen den beiden Spulen 1 und 2 einerseits und Spule 3 andererseits, und C1,2,3 bezeichnet die Kapazität zwischen den Spulen 1 und 2 gegenüber Spule 3. Für einen Beispielentwurf wurde für M1,2,3 4 Mikrohenry und für C1,2,3 20 pF gewählt. Wenn die gewählten Werte in den obigen Ausdruck für unendliche Richtwirkung eingesetzt werden, ergibt sich näherungsweise ROU·RLU = 200.000 Ohm. Wie oben erwähnt, entspricht aber ROU näherungsweise 50 Ohm. Für RLU ergibt sich somit eine sehr große Impedanz, die am Anschlußkontakt 66 weggelassen werden kann. Anders ausgedrückt, ein Ende der Spule N3 ist potentialfrei (d. h. nicht mit dem Breitband-Signalanschluß verbunden), ohne den Betrieb des Richt-Koppelübertragers zu beeinträchtigen. Noch immer in bezug auf Fig. 4 ist der Impedanzanpassungstransformator 54 so ausgelegt, daß
ZOB = L&sub1;/CM
wobei ZOB die charakteristische Impedanz ist, L&sub1; die Netto-Gegeninduktivität und CM die Betriebskapazität. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist für ZOB der Wert 150 Ohm gewählt, der der charakteristischen Impedanz des verdrillten Zweidrahtkabels entspricht. Damit ist die ausführliche Beschreibung des F-Kopplers abgeschlossen.
Für den Benutzer der dargestellten Erfindung und insbesondere der in Fig. 4 ausgeführten Ausführungsformen ergeben sich mehrere Vorzüge. Zu den Vorzügen gehören: Symmetrische Signale, die an den Basisbandanschlüssen eingespeist oder abgegriffen werden, können ungehindert durch F-Koppler und Kabel passieren. Darüber hinaus wird, da die Signale symmetrisch sind, eine gegenpolige magnetische Durchflutung ausgeschlossen, die somit nicht induktiv auf den Breitband-Signalanschluß wirken kann.
(2) Asymmetrische Signale (infolge von Rauschen und/oder elektromagnetischen Störungen), die an den Basisbandanschlüssen entstehen, werden vom Impedanzanpassungstransformator und der Kapazität gegen Masse und weiter vom Richtkoppler-Übertrager überaus stark gedämpft, da diese Signale in einer Richtung wandern, die zur Signalrichtung der beiden Richtübertrager 60 entgegengesetzt eist.
(3) Asymmetrische Signale, die an die Breitbandsignal-Anschlüsse angelegt werden, werden ungehindert in der jeweiligen Richtung zum und über das Kabel gekoppelt und vom Richtübertrager am gegenüberliegenden Ende abgegriffen. So können nur asymmetrische Signale frei und in beiden Richtungen zwischen den beiden Breitbandanschlüssen wandern. Darüber hinaus können wegen der Symmetrie der symmetrischen Wicklungen N1 und N2 vom Richt-Übertrager über diesen Anschluß keine symmetrischen Signale eingespeist werden, da N1 = N2.
Die Kombination aus den Impedanzanpassungstransformatoren und den Kondensatoren 58 und 56 wirkt nicht nur unterstützend, da asymmetrische Signale gedämpft werden, die vom Basisbandanschluß zum Breitbandanschluß wandern, sondern sie wirkt gemeinsam mit dem Richtübertrager (der selbst einen Impedanzanpassungstransformator bildet) sogar mit, die Symmetrie der symmetrischen Signale weiter zu verstärken.
(5) Da die Bandbreitennutzung des Kabels völlig unbeschränkt ist, steht sowohl für Breitband- als auch für Basisbandsignale die gesamte Bandbreite zur Verfügung. Es wurden funktionsfähige Prototypen erstellt, die eine Nutzung von praktisch 0 Hz bis 1 GHz gestatten. Bei diesen Anwendungen kann ein schmaler Überlappungsbereich am Gleichspannungsende des Signalspektrums auftreten, der dadurch entsteht, daß Gleichspannungssignale nicht vom Breitband-Signalanschluß der in Fig. 4 dargestellten Verteilungsstrecke gekoppelt werden können. Die vorausgegangenen Erläuterungen betreffen lediglich das Prinzip der Erfindung. Da außerdem der Fachmann problemlos zahlreiche Modifikationen und Änderungen vornehmen kann, liegt es in der Absicht des Erfinders, die Erfindung nicht auf genau den gezeigten Aufbau und die gezeigte Funktionsweise zu beschränken; folglich dürfen alle geeigneten Änderungen und Ersetzungen vorgenommen werden, die in den Bereich der Erfindung fallen.
Die Erfindung wurde speziell in bezug auf die bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben; es versteht sich jedoch, daß zahlreiche Änderungen an Form und Einzelausführung vorgenommen werden können, ohne vom Inhalt der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Ein verbessertes Kommunikationssystem für die Übertragung und den Empfang von Breitband- und Basisbandinformationen, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:

ein Backbone-Kommunikationsnetz (10), wobei das Backbone- Kommunikationsnetz eine erste Unter-Netzkomponente (12) umfaßt, die auf die Übertragung von Breitbandsignalen spezialisiert ist, die Breitbandinformationen verkörpern, und eine zweite Unter-Netzkomponente (14), die auf die Übertragung von Basisbandsignalen spezialisiert ist, die Basisbandinformationen verkörpern;

ein Verteilungs-Kommunikationsnetz (16) zum gleichzeitigen Senden und/oder Empfangen von Breitbandsignalen und Basisbandsignalen, das mindestens ein Kommunikationsmedium (32) in Form eines verdrillten Zweidrahtkabels umfaßt, das darauf spezialisiert ist, Kommunikationsdienste für ein Büro zur Verfügung zu stellen,

eine erste Schaltungsanordnung zur Verbindung des Backbone- Kommunikationsnetzes und des Verteilungs-Kommunikationsnetzes, wobei die Schaltungsanordnung ein Filterschaltungsmittel (42) umfaßt, das in einer Tandemanordnung mit einem Breitbandübertrager (40) verbunden ist, wobei die Wicklungen des Übertragers so gepolt sind, daß die Basisbandsignale in symmetrischer Form weitergeleitet werden und die Breitbandsignale in gleichmäßig asymmetrischer Form weitergeleitet werden, und

eine zweite Schaltungsanordnung, die mit dem Ende des in das Büro eintretenden Kommunikationsmediums verbunden ist und ein Filtermittel (42) umfaßt, das in einer Tandem-Anordnung mit einem Breitbandübertrager (40) gekoppelt ist, wobei die Wicklung des Übertragers und das Filter so gepolt sind, daß Basisbandsignale in symmetrischer Form und Breitbandsignale in asymmetrischer Form weitergeleitet werden.

2. Das verbesserte Kommunikationssystem von Anspruch 1, wobei das erste Unternetz (12) ein Koaxialkabel umfaßt, eine Kopfstellen-Schaltungsanordnung (24) zur Multiplexzuführung der Signale von Hochfrequenzgeräten auf das Koaxialkabel sowie eine Anzapf-/Verknüpfungs-Schaltungsanordnung (18), die mit dem Koaxialkabel gekoppelt ist.

3. Das Kommunikationssystem von Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Untergruppe (14) ein Kommunikationsmedium in Form eines abgeschirmten verdrillten Zweidrahtkabels enthält und mindestens eine Mehrfach-Zugangseinheit für die Weiterleitung von Daten, die sich auf dem Medium ausbreiten, mit dem Medium verbunden ist.

4. Das Kommunikationssystem von einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei das Filterschaltungsmittel (42) einen ersten Eingangsanschluß für die elektrischen Basisbandsignale bildet und der Übertrager (40) über drei identische Wicklungen verfügt, die an einem Backbone-Kern symmetrisch angeordnet sind, wobei eine der Wicklungen einen zweiten Eingangsanschluß für die Breitbandsignale bildet und die anderen beiden Wicklungen einen Ausgangsanschluß bilden und so gepolt sind, daß die elektrischen Basisbandsignale als symmetrische Signale am Ausgangsanschluß bereitgestellt werden und die elektrischen Breitbandsignale als asymmetrische Signale am Ausgangsanschluß bereitgestellt werden.

5. Das Kommunikationssystem von Anspruch 4, wobei das Filterschaltungsmittel (42) eine erste Spule umfaßt, die an einem Ende mit dem ersten Eingangsanschluß verbunden ist und am anderen Ende mit einer in Reihe angeordneten RC-Schaltung, und eine zweite Spule, die von der ersten Spule räumlich getrennt angeordnet ist und am einen Ende mit dem ersten Eingangsanschluß und am gegenüberliegenden Ende mit einer in Reihe angeordneten RC-Schaltung verbunden ist.

6. Das Kommunikationssystem von einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste und zweite Schaltungsanordnung einen Impedanzanpassungstransformator (54) mit einem Ferritkern und zwei eng um den Ferritkern gewickelten Spulen umfaßt, wobei die Spulen und der Kern die charakteristische Impedanz

ZOB = L&sub1;/CM

zur Verfügung stellen, wobei ZOB die charakteristische Impedanz einer Verteilungsstrecke innerhalb des Verteilungs- Kommunikationsnetzes ist, L&sub1; die Netto-Gegeninduktivität angibt und CM der Retriebskapazität entspricht.

7. Das Kommunikationssystem von Anspruch 6, wobei ZOB näherungsweise 150 Ohm beträgt.

8. Das Kommunikationssystem von Anspruch 6 oder 7, wobei die erste und zweite Schaltungsanordnung einen Richtübertrager (60) bilden, der einen Ferritkern und drei Wicklungen (N1, N2 und N3) enthält, die auf dem Ferritkern angeordnet sind, wobei eine der Wicklungen, N3, über einen einpoligen Ausgang für den Anschluß an ein externes Gerät verfügt und von N1 und N2 abgesetzt ist, so daß die Wicklungen eine Impedanz von

ZOU = LU/C1,2,3

aufweisen, und die beiden anderen Wicklungen, N1 und N2, mit dem Verteilungsnetz verbunden und durch eine Impedanz von

ZOB = LB/C1,2

gekennzeichnet sind, wobei ZOB die charakteristische Impedanz für symmetrische Signale auf der Verteilungsstrecke innerhalb des Verteilungsnetzes darstellt,

ZOU die charakteristische Impedanz für asymmetrische Signale auf der Verteilungsstrecke des Verteilungsnetzes darstellt,

LB die Gegeninduktivität zwischen den Wicklungen N1 und N2 darstellt,

LU die Netto-Gegeninduktivität der Wicklungen N1 und N2 gegenüber der Wicklung N3 darstellt,

C1,2,3 die Retriebskapazität zwischen N1, N2 und N3 darstellt,

C1,2 die Retriebskapazität von N1 und N2 gegenüber der Wicklung N3 darstellt.

9. Das Kommunikationssystem von Anspruch 8, wobei ZOB näherungsweise 150 Ohm und ZOU näherungsweise 50 Ohm beträgt.