PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69419165T2 14.10.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0721722
Titel VERFAHREN ZUM VORAUSSAGEN VON SPANNUNGEN BEI TELEFONLEITUNGSMESSUNGEN
Anmelder Northern Telecom Ltd., Montreal, Quebec, CA
Erfinder VOGT, John, Vincent, III, Norcross, GA 30092, US;
SUMMERS, Charles, Ernest, Canton, GA 30114, US
Vertreter G. Koch und Kollegen, 80339 München
DE-Aktenzeichen 69419165
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 20.07.1994
EP-Aktenzeichen 949222053
WO-Anmeldetag 20.07.1994
PCT-Aktenzeichen CA9400399
WO-Veröffentlichungsnummer 9508893
WO-Veröffentlichungsdatum 30.03.1995
EP-Offenlegungsdatum 17.07.1996
EP date of grant 16.06.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.10.1999
IPC-Hauptklasse H04M 3/30
IPC-Nebenklasse G01R 31/28   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet und gewerbliche Anwendung

Diese Erfindung bezieht sich auf die Messung von Charakteristiken von Telefonleitungen und befaßt sich insbesondere mit einem Verfahren zur Vorraussage von Spannungen im eingeschwungenen oder stationären Zustand während einer derartigen Messung.

Stand der Technik

In dem US-Patent Re. 30 692, das am 28. Juli 1981 erneut ausgegeben wurde (Neuerteilung des US-Patentes 4 186 282 vom 29. Januar 1980), auf den Namen von Ellson mit dem Titel "Method and Apparatus for Measuring Telephone Line Characteristics" sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ableitung von Parametern einer Telefonleitung aus Strom- und Ladungsflußmessungen beschrieben, die während drei aufeinanderfolgender Spannungszustände durchgeführt werden, die an die a- und b- Adern der Leitung über Serienwiderstände mit bekanntem Widerstandswert angelegt werden. Die Parameter schließen insbesondere Widerstände, Kapazitäten und Fremdspannungen auf der Leitung ein. Aufgrund der Charakteristik der Leitung erzeugt jeder der aufeinanderfolgenden Spannungszustände Einschwingspannungen. Für ausreichend genaue Meßergebnisse sind Spannungsmessungen im eingeschwungenen oder stationären Zustand erforderlich, und diese Messungen wurden traditionell nach dem Abklingen der Einschwingspannungen durchgeführt, beispielsweise in dem Ellson-Patent dadurch, daß auf zwei aufeinanderfolgende identische Meßabtastproben gewartet wurde. Obwohl das Ellson-Patent angibt, daß eine Testperiode typischerweise kleiner als drei Sekunden sein kann, wird in diesem Patent festgestellt, daß die Meßzeit in direkter Beziehung zu dem Streuwiderstand und der Kapazität der Telefonschleife steht.

Die für das Abklingen eines Einschwingvorganges erforderliche Zeit kann tatsächlich bis zu 500 Sekunden betragen (5 mal die Zeitkonstante einer Leitung mit einer Schleifenkapazität von 10 uF mit einem Widerstand gegen Erde von 10 MΩ). Eine Telefonbetreiberfirma kann es wünschen, die Parameter aller Telefonleitungen jede Nacht zu messen, um mögliche Probleme so schnell wie möglich festzustellen, mit einer entsprechenden Notwendigkeit von Messungen mit hoher Geschwindigkeit, doch ist dies bei derart langen Wartezeiten bis zum Abklingen von Einschwingvorgängen derart, daß Messungen im eingeschwungenen Zustand durchgeführt werden können, wie bei dem Ellson-Patent, praktisch nicht möglich.

In dem Bemühen, diese Schwierigkeit zu vermeiden, ist es bekannt, die Zeitkonstante der Leitung dadurch zu verringern, daß sie mit einer niedrigen Impedanz angesteuert wird, doch kann dies zu ungenauen Meßergebnissen führen. Ungenaue Ergebnisse werden weiterhin auch dann erzeugt, wenn Messungen durchgeführt werden, bevor die Einschwingvorgänge vollständig abgeklungen sind, so daß die Spannungsmessungen keine Spannungen sind, die dem eingeschwungenen oder stationären Zustand entsprechen.

Ein Ziel dieser Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Messung der Charakteristiken einer Zweidrahtleitung zu schaffen.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß einem Gesichtspunkt dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Messung von Charakteristiken einer Zweidraht-Telefonleitung geschaffen, von der ein Schaltungsmodell Widerstands- und Kapazitätselemente umfaßt, die zwischen den a-Ader-, b- Ader- und Erdanschlüssen der Leitung angeschaltet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Ankoppeln von Quellenspannungen über Quellenwiderstände an die a-Ader- und b-Ader-Anschlüsse bei einer Vielzahl von Testbedingungen, bestimmen einer stationären Spannung an zumindest einem der a-Ader- und b-Ader- Anschlüsse bei jeder Testbedingung, und Ableiten von Charakteristiken der Widerstandselemente der Leitung aus den Quellenspannungen, Quellenwiderständen und den festgestellten stationären Spannungen, wobei der Schritt der Bestimmung jeder stationären Spannung eines Anschlusses die folgenden Schritte umfaßt: Abtasten der Spannung an dem Anschluß mit einer vorgegebenen Abtastperiode zur Lieferung eines vorgegebenen Satzes von abgetasteten Spannungen, und Berechnen eines vorhergesagten Spannungswertes, der die festgestellte stationäre Spannung bildet, aus dem vorgegebenen Satz von abgetasteten Spannungen unter Verwendung einer Lösung zweiter Ordnung in geschlossener Form des Schaltungsmodells.

Die Lösung zweiter Ordnung in geschlossener Form des Schaltungsmodells wird so erzeugt, wie dies nachfolgend ausführlich beschrieben wird, indem das Schaltungsmodell in den Z-Bereich transformiert und die angpaßte Pol-Null-(MPZ-) Technik verwendet wird, um einen Satz von unabhängigen linearen Gleichungen abzuleiten, die gelöst sind, um es zu ermöglichen, daß die vorhergesagte stationäre Spannung präzise berechnet wird (d. h. nach Art einer geschlossenen Form, die immer ein spezifisches Ergebnis ergibt, statt in einer iterativen Weise).

Die nachfolgend beschriebene Lösung setzt voraus, daß der vorgegebene Satz von abgetasteten Spannungen neun Abtastproben umfaßt. Diese können drei Sätze von jeweils drei aufeinanderfolgenden Abtastproben umfassen, wobei der vorausgesagte Spannungswert gleich b2 / (1 + a1 + a2) ist, worin a1, a2 und b2 durch drei lineare unabhängige Gleichungen bestimmt werden, eine für jeden der drei Sätze, die die Form Y3 = b2 - a1Y2 - a2Y1 haben, worin Y1 bis Y3 die drei aufeinanderfolgend abgetasteten Spannungen in dem jeweiligen Satz sind.

Vorzugsweise umfaßt der vorgegebene Satz von abgetasteten Spannungen für die schnellste Voraussage neun aufeinanderfolgende Abtastproben. In diesem Fall ist die Lösung für die stationäre Spannung durch die folgenden Gleichungen gegeben:

a1 = (Y3(Y7 - Y4) + Y6(Y1 - Y7) + Y9(Y4 - Y1))/Y

a2 = (Y3(Y5 - Y8) + Y6(Y8 - Y2) + Y9(Y2 - Y5))/Y

b2 = (Y3(Y7Y5 - Y8Y4) + Y6(Y8Y1 - Y7Y2) + Y9(Y4Y2 - Y5Y1))/Y

Y = Y7Y5 - Y8Y4 - Y7Y2 + Y4Y2 + Y8Y1 - Y5Y1

worin Y1 bis Y9 die neun aufeinanderfolgend abgetasteten Spannungen sind.

Das Schaltungsmodell umfaßt typischerweise a-Ader zu b-Ader-, a-Ader zu Erde- und b-Ader zu Erde-Widerstände und a- und b-Ader-Fremdspannungen; in diesem Fall umfaßt die Vielzahl von Testbedingungen zweckmäßigerweise drei unterschiedlliche Testbedingungen, die fünf Gleichungen ergeben, mit denen die Widerstände und Fremdspannungen aus den Quellenspannungen, den Quellenwiderständen und den ermittelten stationären Spannungen abgeleitet werden. Das Schaltungsmodell umfaßt typischerweise weiterhin a-Ader zu b-Ader-, a-Ader zu Erde- und b-Ader zu Erde- Kapazitäten, und die drei unterschiedlichen Testbedingungen können drei Gleichungen im Zeitbereich liefern, durch die die Kapazitäten abgeleitet werden.

Die vorgegebene Abtastperiode ist vorzugsweise eine ganzzahlige Vielfache der Periode einer 50 Hz- oder 60 Hz-Wechselspannungs-Schwingungsform, zweckmäßigerweise 100 ms, um induzierte Wechselspannungen aus den Messungen aufzuheben.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt ergibt die Erfindung ein Verfahren zur Vorhersage einer stationären Spannung an einem a- oder b-Ader-Anschluß einer Zweidraht- Telefonleitung aus periodischen Abtastproben der Spannung an dem Anschluß während eines Einschwingvorganges aufgrund des Anlegens einer Testbedingung an den Anschluß, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Gewinnen von drei Sätzen von jeweils drei aufeinanderfolgenden Abtastproben der Spannung an dem Anschluß, und Berechnen der stationären Spannung als b2/(1 + a1 + a2), worin a1, a2 und b2 durch drei lineare unabhängige Gleichungen bestimmt werden, eine für jeden der drei Sätze, die die Form von Y3 = b2 - a1Y2 - a2Y1 haben, worin Y1 bis Y3 die drei aufeinanderfolgenden Abtastproben der Spannung in dem jeweiligen Satz sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird weiter aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verständlich, in denen:

Fig. 1 ein Schaltungsmodell für die Messung von Parametern einer Telefonleitung zeigt,

Fig. 2 ein Diagramm ist, das die Einschwingeffekte aufgrund der Zeitkonstante einer Schaltung zeigt, deren Widerstand gemessen werden soll,

Fig. 3 ein Laplace-Impedanzmodell der Schaltung nach Fig. 1 zeigt, und

Fig. 4 ein modifiziertes Laplace-Impedanzmodell der Schaltung nach Fig. 1 zeigt.

Ausführungsformen der Erfindung

In Fig. 1 ist ein Schaltungsmodell einer Zweidraht-Telefonleitung mit a- und b-Adern mit Anschlüssen T bzw. R gezeigt. In diesem Schaltungsmodell dargestellte Charakteristiken der Leitung umfassen die a- zu b-Ader-Kapazität Ctr und den a- zu b-Ader- Widerstand Rtr, die a-Ader zu Erde-Kapazität Ctg und den a-Ader zu Erde-Widerstand Rtg, die b-Ader zu Erde-Kapazität Crg und den b-Ader zu Erde-Widerstand Krg sowie die Gleichspannungs-Fremdpotentiale Vfd und Vfr auf den a- bzw. b-Adern. Zu Meßzwecken ist eine a-Ader-Quellenspannung St an den Anschluß T über einen Serienwiderstand Rst angelegt, und eine b-Ader-Quellenspannung Sr ist an den Anschluß R über eine Serienwiderstand Rsr angelegt.

Es ist zu erkennen, daß das Schaltungsmodell nach Fig. 1 der Anordnung von Bauteilen entspricht, die die Telefonleitungscharakteristiken in Fig. 1 des US-Patentes Re 30692 darstellen, das bereits genannt wurde und das weiterhin eine Ausführungsform einer Vorrichtung erläutert, die zur Lieferung der Quellenspannungen St und Sr und zur Messung der Gleichspannungen Vt und Vr verwendet werden kann, die entsprechend an den Anschlüssen T bzw. R erzeugt werden. Weil Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens dieser Erfindung auf dem Gebiet der Telefonleitungsmessung bekannt sind, müssen sie hier nicht weiter beschrieben werden und werden es auch nicht.

Eine direkte Messung der Bauteile in dem Schaltungsmodell nach Fig. 1 ist nicht möglich, d. h. ein Anschluß eines Spannungs-Widerstandsmeßinstrumentes zwischen den Anschlüssen T und R der Leitung würde keine einzelnen Bauteilwerte ergeben. Um die Werte der einzelnen Bauteile zu bestimmen, was als das Dreianschluß- Ergebnis bezeichnet wird, müssen mehrfache Tests durchgeführt werden, um Parameter für die Lössung eines Satzes von gleichzeitigen linearen Knotengleichungen zu schaffen. Jeder Test beinhaltet das Anlegen einer unterschiedlichen Kombination von Quellenspannungen St und Sr und die Messsung der resultierenden eingeschwungenen oder stationären Spannungen Vt und Vr.

Für jeden Test gelten die folgenden zwei Gleichungen:

Stn/Rst + Vft/Rtg + Vm/Rtr = Vtn(1/Rst + 1/Rtg + 1/Rtr) (1)

Sm/Rsr + Vfr/Rgr + Vtn/Rtr = Vm(1/Rst + 1/Rtg + 1/Rtr) (2)

worin die Parameter wie oben angegeben sind, wobei sich n auf die Nummer des Tests bezieht. Für die drei Tests, auf die weiter unten Bezug genommen wird, ist n = 1, 2 oder 3.

Um die drei Widerstände und die zwei Fremdspannungen in dem Schaltungsmodell nach Fig. 1 zu bestimmen, d. h. fünf Unbekannte im stationären Zustand, sind fünf simultane oder gekoppelte Gleichungen erforderlich, so daß drei Tests erforderlich sind, die jeweils zwei Gleichungen wie vorstehend ergeben (eine Gleichung ist redundant).

Aus Zweckmäßigkeitsgründen kann ein erster dieser Tests die Ansteuerung der Quellenspannungen St und Sr beide auf die gleiche positive Spannung (d. h. St1 = Sr1) umfassen, bei der die gemessenen Spannungen Vt1 und Vr1 im wesentlichen einem Meßbereichsendwert entsprechende positive Größen haben (beispielsweise ungefähr 45 Volt, was einer 16-Bit-Digitalspannungsmessung entspricht), damit sich eine maximale Meßgenauigkeit ergibt. Der zweite Test kann in ähnlicher Weise die Spannungen St und Sr auf die gleiche negative Spannung ansteuern (d. h. St2 = Sr2), bei der die gemessenen Spannungen Vt2 und Vr2 im wesentlichen einem Meßbereichsendwert entsprechende negative Größen aufweisen (beispielsweise ungefähr -45 Volt). In dem dritten Test werden die a- und b-Adern unterschiedlich angesteuert; beispielsweise kann die Quellenspannung Sr eine Batteriespannung von -48 Volt sein, und die Quellenspannung St wird auf eine positive Spannung angesteuert, bei der die gemessene Spannung Vt3 ihre einem Meßbereichsendwert entsprechende positive Größe aufweist, wobei die vorstehende Gleichung (1) als die erforderliche fünfte simultane Gleichung verwendet wird.

Eine Lösung dieser Gleichungen ergibt die folgenden Ergebnisse, wobei die Fremdspannungen Vft und Vfr zu den Anschlüssen T und R zurückreflektiert werden:

Wie dies bereits erwähnt wurde, sind die Spannungsmessungen Vtn und Vrn in den vorstehenden Gleichungen eingeschwungene oder stationäre Spannungen, nachdem irgendwelche Einschwingvorgänge aufgrund der Leitungskapazität abgeklungen sind. Wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, bewirkt das Anlegen einer Stufenspannung Vs über einen Quellenwiderstand Rs an einen Lastwiderstand RI mit einer hierzu parallel geschalteten Kapazität C, daß die Spannung V längs des Widerstandes RI in einer exponentiellen Weise ansteigt, so daß lediglich nach ungefähr fünfmal der Zeitkonstanten der Schaltung die Spannung V längs des Widerstandes RI den eingeschwungenen oder stationären Wert der Spannung Vs erreicht. Wenn diese Kriterien auf die vorstehenden Tests mit einer maximalen Leitungskapazität 10uF und einem Widerstand gegen Erde von 10 MΩ angewandt werden, so ergibt sich einen Zeit vom 500 Sekunden, damit der stationäre Wert für jeden dieser drei Tests erreicht wird.

Um derartige Verzögerungen bis zum Erreichen der stationären Werte der gemessenen Spannungen Vtn und Vrn zu vermeiden, ergibt die Erfindung ein Verfahren, bei dem die stationäre Spannung aus einer begrenzten Anzahl von periodischen Abtastproben der gemessenen Spannung mit einer willkürlichen Abtastperiode und zu einem willkürlichen Punkt vor dem Abklingen der Einschwingspannung genau berechnet, d. h. vorhergesagt werden kann. Tatsächlich wurde festgestellt, daß neun Spannungsabtastproben erforderlich sind, und daß diese in zweckmäßiger Weise mit einer Abtastperiode von 100 ms bewirkt werden, so daß jeder Test in ungefähr 1 Sekunde abgechlossen werden kann. Das Verfahren ermöglicht weiterhin eine Zeitbereichs- Messung der Kapazitäten in dem Schaltungsmodell nach Fig. 1, so daß es drei Tests ermöglichen, daß alle Parameter des Schaltungsmodells in einer Gesamtzeit von weniger als 5 Sekunden bestimmt werden.

Die Kapazitäten werden durch Bestimmen des Ladungsflusses oder des Integrals (Summierung der Abtastproben) des Stromes in der Schaltung bestimmt, und die Bestimmung ist selbst bei Vorliegen beträchtlicher Leitungsinduktivitäten genau. Zu diesem Zweck werden die vorstehenden Gleichungen (1) und (2) (unter Fortlassen der Testnummer n) als Gleichungen (1a) und (2a) umgeschrieben, um die Ströme durch die Kondensatoren einzuschließen:

Sr/Rst + Vft/Rtg + vr/Rtr = iCtg + iCtr + Jvt (1a)

Sr/Rsr + Vfr/Rrg + vt/Rtr = iCrg - iCtr + Jvr (2a)

worin kleingeschriebene Variablen nunmehr zur Bezeichnung von sich zeitlich ändernden Größen verwendet Werden, i den Strom darstellt, die tiefgestellten Zeichen sich auf die Kondensatoren beziehen, zu denen die jeweiligen Ströme fließen, und:

J = (1/Rst + 1/Rtg + 1/Rtr).

Somit sind in den Gleichungen (1a) und (2a) vt und vr sich zeitlich ändernde Spannungen an den Anschlüssen T bzw. R, und iCtg, iCrg und iCtr die sich zeitlich ändernden Ströme, die zu den Kondensatoren Ctg, Crg bzw. Ctr fließen.

Wie dies gut bekannt ist, ist die Beziehung zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 der Zeit t zwischen dem Strom i(t) und der Spannung v längs eines Kondensators mit der Kapazität C bei einer Anfangspannung V durch die folgende Gleichung gegeben:

CΔv = t1t0(t)dt (3)

worin Δv = v-V ist.

Wenn ein konstantes Integrationsintervall von T = t1-t0 gewählt wird und dieses in eine große Anzahl N von sehr kleinen Zeitelementen Δt unterteilt wird, so kann dieses Integral sehr eng durch eine numerische Integration oder Summierung entsprechend der folgenden Gleichung angenähert werden:

t1t0i(t)dt = T/N i(t0 + jΔt) = T

worin den mittleren Strom über das Integrationsintervall darstellt. Beispielsweise kann N in der Größenordnung von 1000 sein, so daß viele Teil-Abtastproben über einen Zeitraum, der hier als die Abtastperiode T bezeichnet wird, gemittelt werden. Wie dies weiter unten erläutert wird, ist die Periode T so gewählt, daß sie einer ganzzahligen Anzahl von Perioden der Wechselspannungs-Neztleitungsfrequenz entspricht, so daß die Auswirkungen einer Wechselspannungs-Leistungsleitungslinduktion auf die Meßgenauigkeit stark unterdrückt oder beseitigt sind.

Eine Integration der Gleichungen (1a) und (2a) und das Anwenden der Gleichung (3) und die genannte numerische Integrationstechnik führt zu den folgenden Gleichungen:

StT/Rst + VftT/Rtg + T/Rtr = CtgΔvt + Ctr(Δvt - Δvr + J T (1b)

SrT/Rst + Vfrt/Rrg + T/Rtr = CrgΔvr + Ctr(Δvr - Δvt) - J T (2b)

worin und gemittelte Spannungen an den Anschlüssen T bzw. R sind.

Mit drei Tests, wie dies bereits vorstehend erläutert wurde, und Gleichungen in der Form der Gleichungen (1b) und (2b) ergibt eine Subtraktion der Gleichungen für den Test 2 von denen für den Test 1 und eine Subtraktion der a-Ader-Gleichung für den Test 3 von der a-Ader-Gleichung des Tests 1 die folgenden Gleichungen:

worin die mit einem großgeschriebenen V bezeichneten Spannungen die eingeschwungenen oder stationären Spannungen sind, die in der weiter unten erläuterten Weise vorhergesagt sind. Die mit einem kleingeschriebenen v bezeichneten Spannungen sind gemittelte und momentane Spannungen, beispielsweise ist die gemittelte Spannung an dem Anschluß T während des Tests Nr. 2, und vt2 ist die momentane Spannung am Anschluß T zu Beginn des Tests Nr. 2.

Die Gleichungen (4) bis (6) können simultan gelöst werden, wodurch sich die Kapazitätswerte ergeben:

Ctr = K1K7 - K6K2/K3K7 - K8K2

Ctg = K1 - K3Ctr/K2

Cr = K4 + K3Ctr/K5

worin:

K2 = vt2 - vt1/T

K3 = vt2 - vt1 - vr2 + vr1/T

K5 = Vr2 - Vr1/T

K7 = vt3 - vt2/T

K8 = vt3 - vt2 - vr3 + vr2/T

Somit ermöglichen es die vorstehenden Gleichungen, drei Kapazitäten, drei Widerstände und zwei Fremdpotentiale in dem Schaltungsmodell nach Fig. 1 aus abgetasteten Spannungsmessungen zu bestimmen, die während der drei Tests durchgeführt werden.

Eine getrennte Analyse jeder der drei Tests zeigt, daß die Schaltungen von zweiter Ordnung sind. Ein Versuch, derartige Schaltungen in dem s-Bereich zu lösen, um die abschließenden oder stationären Spannungswerte aus der begrenzten Anzahl von gemessenen Variablen zu bestimmen, erfordert einen iterativen Prozeß, der eine umfangreiche Berechnung bedingen würde, ggf. nicht konvergiert und bei dem keine Garantie besteht, daß er ein Ergebnis liefert. Die Erfindung ergibt eine Lösung in geschlossener Form, d. h. eine Lösung, die immer ein Ergebnis aus einem vorgegebenen Satz von Berechnungen erzeugt, und zwar durch einen Prozeß, der nachfolgend beschrieben wird, und bei dem das Schaltungsmodell in den Z-Bereich transformiert wird.

Zu Anfang wird das Schaltungsmodell nach Fig. 1 als das Schaltungsmodell nach Fig. 3 ungezeichnet, bei dem die Fremd-Gleichspannungen fortgelassen sind und die Kapazitäten durch ihre äquivalenten s-Bereichs-Impedanzen ersetzt sind, wobei diese Impedanzen durch die folgenden Gleichungen gegeben sind:

Zst = Rst

Zsr = Rsr

Ztg = Rtg /1 + sRtgCtg

Zrg = Rrg/1 + sRrgCrg

Ztr = Rtr/1 + sRtrCtr.

Die Analyse kann aufgrund der Symmetrie und Überlagerung in zwei identische Teile unterteilt werden, in jedem Fall mit lediglich einer Quellenspannung St oder Sr. Es wird für diese Analyse hier angenommen, daß Sr = 0 ist, so daß das Modell nach Fig. 3 vereinfacht und als Fig. 4 umgezeichnet wird. Dieses Modell wird dann für Vt(s) und Vr(s) gelöst, wobei eine Impedanz Z1 zur Darstellung von Zrg parallel zu Zsr und eine Impedanz Z2 zur Darstellung der Serienkombination von Z1 und Ztr parallel zu Ztg verwendet wird. Dann ist:

Vt(s) = Z2St(s)/Z2 + Zst

Vr(s) = Z1Vt(s)/Z1 + Ztr

und damit:

Vt = at/1 + bts)c + ds + es² / Vr(s) = ar(1 + brs)c + ds + es²

worin:

at = Rtg(RrgRsr + RrgRtr + RsrRtr)

ar = KrgRsrRtg

bt = (Crg + Ctr)RrgRsrRtr/RrgRsr + RrgRtr + RsrRtr

br = CtrRtr

c = RrgRsr(Rst + Rtg) + RtgRst(Rrg + Rsr) + Rtr(Rtg + Rst)(Rrg + Rsr)

d = (Crg + Ctg)RrgRsrRstRtr + (Crg + Ctr)(Rtg + Rst)RrgRsrRtr

+ (Ctg + Ctr)(Rrg + Rsr)RstRtgRtr

e = (CrgCtg + CrgCtr + tgCtr)RrgRsrRstRtgRtr.

Die Zeitbereichsspannungen Vt und Vr werden durch Bilden der inversen Laplace- Transformation der vorstehenden Gleichungen für Vt(s) und Vr(s) gefunden, um in jedem Fall eine Gleichung der folgenden Form zu ergeben:

worin E die Konstante des natürlichen Logarithmus ist (ein Großbuchstabe wird verwendet, um diesen von dem vorstehenden Parameter e zu unterscheiden), und:

f = d² - 4ce

Diese Gleichung kann wie folgt umgestellt werden:

V(t) = Vf(1 +Kp2Ep1t - Kp1Ep2t)

worin Vf die eingeschwungene oder stationäre Spannung ist, p1 und p2 die Pole des Systems sind, und kp1 und kp2 Konstanten sind, die durch die folgenden Gleichungen gegeben sind:

Vf = a/b

p1 = (-d + f)/2e

p2 = (-d - f)/2e

Kp1 = (bc + ep1)/f

Kp2 = (bc + ep2)/f.

Um die abschließende Spannung Vf aus periodischen Abtastproben der Spannung während des Einschwingvorganges vorherzusagen, wird die s-Ebene in die z-Ebene abgebildet, und es wird eine Differenzgleichung bestimmt, die die Lösung der vorstehenden Systempole (und Nullstellen) sein würde. Dies kann dadurch erfolgen, daß entweder die bilineare Transformations- oder die angepaßte Pol-Null- (MPT-) Technik verwendet wird. Die letztere wird hier verwendet, weil sie eine Frequenzverzerrung vermeidet, die sich von Natur aus bei der bilinearen Transformation ergibt.

Abtastproben der a- und b-Ader-Spannungen werden in der gleichen Weise behandelt, um die abschließenden oder setationären Spannungen Vt und Vr zu bestimmen; aus Vereinfachungsgründen wird lediglich die a-Ader-Spannung nachfolgend erläutert.

Die s-Ebenen-Darstellung für die a-Ader-Spannung Vt(s) ist durch die folgende Gleichung gegeben:

mit Polen p1 und p2 der vorstehend definierten Art und einer Nullstelle bei z = -1/b. Das Anwenden der MPZ-Technik auf Vt(s) ergibt die folgenden Pole und Nullstellen für die z-Transformationsdarstellung:

P1 = Ep1T

P2 = Ep2T

Z = E-t/b

wodurch sich eine Gleichung ergibt:

worin:

Die z-Transformation dieser Gleichung in alternativen Ausdrücken ist:

Diese z-Transformation hat die Form:

worin a1, a2 und b3 Konstanten sind, die durch die folgenden Gleichungen gegeben sind:

a1 = -(Ep1T + Ep2T)

a2 = E(p1+p2)T

b3 = -E-T/b

was eine Differenzgleichung der folgenden Form ergibt:

y(n) = b3kx(n - 3) + kx(n - 2) - a1y(n - 1) - a2y(n - 2).

Die Anwort dieser z-Transformation auf einen Einheitsschritt ist die a-Ader-Spannung Vt(t). Dies heißt mit anderen Worten, daß bei x(n) = Einheitsschritt sich y(n) = Vt(t) ergibt. Für den gewünschten Vorhersagezweck und mit b2 = B3k + k ist die Differenzgleichung wie folgt:

y(n) = b2 - a1y)(n - 1) - a2Y(n - 2).

Wie dies zu erkennen ist, sind die Werte von y in der vorstehenden Differenzgleichung die Abtastproben der a-Ader-Spannung zu aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten n-2, n-1 und n, mit einer willkürlichen Abtastperiode T. Der stationäre Zustand ist derjenige, bei dem y(n) = y(n - 1) = y(n - 2) = Vf ist. Ein Einsetzen und Lösen der Differenzgleichung für Vf ergibt die folgende Gleichung:

Vf = b2/1 + a1 + a2.

Um die Werte der drei Unbekannten a1, a2 und b2 aus den gemessenen Spannungen y zu den Abtastzeitpunkten zu bestimmen, sind drei lineare und unabhängige Gleichungen erforderlich, die aus der vorstehenden Differenzgleichung abgeleitet werden. Weil jede Gleichung drei Abtastproben beinhaltet, und die Unabhängigkeit der Gleichungen erfordert, daß die Abtastproben in unterschiedlichen Gleichungen verschieden sind, sind neun Abtastproben erforderlich, um die abschließende oder stationäre Spannung Vf vorherzusagen. Wenn diese Abtastproben aus Gründen der Kürze als Y1 (die früheste Abtastprobe) bis Y9 (die letzte Abtastprobe) bezeichnet werden und diese Werte in die Differenzgleichung eingesetzt werden, so ergeben sich die drei linearen und unabhängigen Gleichungen:

Y3 = b2 - a1Y2 - a2Y1

Y6 = b2 - a1Y5 - a2Y4

Y9 = b2 - a1Y8 - a2Y7.

Diese Gleichungen sind die gleichen wie die in konvetionellerer Weise ausgedrückten Gleichungen:

y(n - 6) = b2 - a1y(n - 7) - a2y(n - 8)

y(n - 3) = b2 - a1y(n - 4) - a2y(n - 5)

y(n) = b2 - a1y/n - 1) - a2y(n - 2).

Ein Lösen dieser Gleichungen nach a1, a2 und b2 ergibt:

a1 = (Y3(Y7 - Y4) + Y6(Y1 - Y7) + Y9(Y4 - Y1))/Y

a2 = (Y3(Y5 - Y8) +Y6(Y8 - Y2) +Y9(Y2 - Y5))/Y

b2 = (Y3(Y7Y5 - Y8Y4) + Y6(Y8Y1 - Y7Y2) + Y9(Y4Y2 - Y5Y1))IY

worin:

Y = Y7Y5 - Y8Y4 - Y7Y2 + Y4Y2 + Y8Y1 - Y5Y1.

Wie dies weiter oben angegeben wurde, ist die Abtastperiode T willkürlich. In der Praxis ist es zweckmäßig, eine Abtastperiode T zu wählen, die einer ganzen Anzahl von Perioden der Wechselspannungs-Netzfrequenz entspricht, typischerweise 50 oder 60 Hz, so daß die Auswirkungen irgendeiner Wechselspannungsinduktion auf die Telefonleitungen, die gemessen werden, beseitigt werden. Entsprechend ist eine Abtastperiode von 100 ms, was fünf Perioden bei 50 Hz oder 6 Perioden bei 60 Hz ent spricht, besonders zweckmäßig. Eine längere Abtastperiode führt zu einer vergrößerten Genauigkeit, führt jedoch auch zu einer direkt vergrößerten Meßzeit.

Wie dies weiterhin vorstehend erläutert wurde, ist die tatsächliche Abtastrate wesentlich größer als diese, wobei N Abtastproben über jede Abtastperiode T gemittelt werden, wodurch die Auswirkungen von Stör- und Abtastfehlern verringert werden.

Somit werden gemäß der Erfindung in der vorstehend beschriebenen Weise zur Messung der Charakteristiken einer Telefonleitung die drei beschriebenen Tests aufeinanderfolgend an der Leitung durchgeführt, und während dieser Tests werden die a- und b-Ader-Spannungen durch Abtasten überwacht. Die Spannungsmessungen von neun aufeinanderfolgenden Abtastproben werden in jedem Fall in den vorstehenden Gleichungen verwendet, um einen vorausgesagten abschließenden oder stationären Wert der a- oder b-Ader-Spannung zu berechnen, wobei der jeweilige Test dann beendet wird, ohne daß es erforderlich ist, daß dieser stationäre Zustand erreicht wird. Die berechneten abschließenden Werte der Spannungen werden in Verbindung mit den bekannten Spannungen St und Sr in den Gleichungen für Rtr, Rtg, Krg, Vft und Vfr verwendet, um diese Parameter zu bestimmen. Die berechneten abschließenden Werte, die bekannten Spannungen St und Sr und die Abtastperiode T, die berechneten Widerstandswerte und die vorübergehenden Werte der abgetasteten Spannungen werden in den Gleichungen für K1 bis K8 und damit für Ctr, Ctg und Crg verwendet, um diese Parameter zu bestimmen. Somit werden alle Parameter des Schaltungsmodells nach Fig. 1 gleichförmig in einer genauen und schnellen Weise bestimmt.

Obwohl es für die schnellste Messung an jeder Telefonleitung bevorzugt wird, daß die neun vorstehend erläuterten Abtastproben aufeinanderfolgend sind, muß dies nicht notwendigerweise der Fall sein. Weil die Differenzgleichung drei aufeinanderfolgende Abtastproben beinhaltet, könnten offensichtlich irgendwelche drei Sätze von jeweils drei aufeinanderfolgenden Abtastproben stattdessen verwendet werden. Beispielsweise könnten Abtastproben Y1 bis Y3, Y5 bis Y7 und Y8 bis Y10 aus einer Gesamtzahl von 10 aufeinanderfolgenden Abtastproben Y1 bis Y10 verwendet werden, wobei ein direktes Einsetzen der Abtastproben tatsächlich in den vorstehenden Gleichungen verwendet wird.

Weiterhin könnten Differenzgleichungen unter Verwendung nicht aufeinanderfolgender sondern periodischer Abtastproben unter Verwendung der gleichen Prinzipien abgeleitet werden, wie sie vorstehend beschrieben wurden, und es kann ein alternativer Satz von Gleichungen unter Verwendung dieser Gleichungen zur Berechnung der vorhergesagten abschließenden oder stationären Spannung von diesen Abtastproben in ähnlicher Weise entwickelt werden, um eine Berechnung der Telefonleitungs- Charakteristiken nach Art der vorstehend beschriebenen geschlossenen Form zweiter Ordnung zu ermöglichen.

Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ausführlich beschrieben wurde, ist es somit verständlich, daß vielfältige Modifikationen, Abänderungen und Anpassungen durchgeführt werden können.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Messung von Charakteristiken einer Zweidraht-Telefonleitung, von der ein Schaltungsmodell Widerstands- und Kapazitätselemente umfaßt, die zwischen a-Ader-, b-Ader- und Erdanschlüssen der Leitung angeschaltet sind, mit den folgenden Schritten:

Ankoppeln von Quellenspannungen über Quellenwiderstände an die a- und b-Ader-Abschlüsse in einer Vielzahl von Testbedingungen,

Bestimmung einer stationären Spannung von zumindest einem der a- und b-Ader-Anschlüsse bei jeder Testbedingung, und

Ableitung von Charakteristiken der Widerstandselemente der Leitung aus den Quellenspannungen, den Quellenwiderständen und den festgestellten stationären Spannungen,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt jeder stationären Spannung eines Anschlusses die folgenden Schritte umfaßt:

Abtasten der Spannung an dem Anschluß mit einer vorgegebenen Abtastperiode zur Schaffung eines vorgegebenen Satzes von abgetasteten Spannungen, und

Berechnen eines vorhergesagten Spannungswertes, der die festgestellte stationäre Spannung bildet, aus dem vorgegebenen Satz von abgetasteten Spannungen unter Verwendung einer Lösung zweiter Ordnung in geschlossener Form des Schaltungsmodells.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der vorgegebene Satz von abgetasteten Spannungen neun Abtastproben umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der vorgegebene Satz von abgetasteten Spannungen drei Sätze von jeweils drei aufeinanderfolgenden Abtastproben umfaßt.

4. Verfahren nach Anpspruch, bei dem die vorhergesagte Spannung gleich b2/(1 + a1 + a2) ist, worin a1, a2 und b2 durch drei linear unabhängige Gleichungen bestimmt werden, einer für jeden der drei Sätze, die die Form von Y3 = b2 - a1Y2 - a2Y1 haben, worin Y1 bis Y3 die drei aufeinanderfolgend abgetasteten Spannungen in dem jeweiligen Satz sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der vorgegebene Satz von abgetasteten Spannungen neun aufeinanderfolgende Abtastproben umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der vorausgesagte Spannungswert gleich b2/(1 + a1 + a2) ist, worin:

a1 = (Y3(Y7 - Y4) + Y6(Y1 - Y7) + Y9(Y4 - Y1))/Y

a2 (Y3(Y5 - Y8) + Y6(Y8 - Y2) + Y9(Y2 - Y5))/Y

b2 = (Y3(Y7Y5 - Y8Y4) + Y6(Y8Y1 - Y7Y2) + Y9(Y4Y2 - Y5Y1))/Y

Y = Y7Y5 - Y8Y4 - Y7Y2 + Y4Y2 + Y8Y1 - Y5Y1

und Y1 bis Y9 die neun aufeinanderfolgend abgetasteten Spannungen sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Schaltungsmodell a- Ader-zu-b-Ader-, a-Ader-zu-Erde- und b-Ader-zu-Erde-Widerstände und a-Ader- und b-Ader-Fremdspannungen umfaßt und die Vielzahl von Testbedingungen drei unterschiedliche Testbedingen umfaßt, was fünf Gleichungen ergibt, durch die die Widerstände und Fremdspannungen von den Quellenspannungen, Quellenwiderständen und den festgestellten stationären Spannungen abgeleitet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Schaltungsmodell weiterhin a-Ader-zu-b- Ader-, a-Ader-zu-Erde- und b-Ader-zu-Erd-Kapazitäten umfaßt und die drei unterschiedlichen Testbedingungen drei Gleichungen im Zeitbereich ergeben, durch die die Kapazitäten abgeleitet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die vorgegebenene Abtastperiode ein ganzzahliges Vielfaches der Periode einer 50 Hz- oder 60 Hz-Wechselspannungsschwingungsform ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die vorgegebene Abtastperiode 100 ms ist.

11. Verfahren zur Vorhersage einer stationären Spannung an einem a-Ader- oder b- Ader-Anschluß einer Zweidraht-Telefonleitung aus periodischen Abtastproben der Spannung an dem Anschluß während eines Einschwingvorganges aufgrund des Anlagens einer Testbedingung an den Anschluß, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Gewinnen von drei Testsätzen von jeweils drei aufeinanderfolgenden Abtastproben der Spannung an dem Anschluß, und

Berechnen der stationären Spannung als b2/(1 + a1 + a2), worin a1, a2 und b2 durch drei linear unabhängige Gleichungen bestimmt werden, eine für jeden der drei Sätze, die die Form von Y3 = b2 - a1Y2 - a2Y1 haben, worin Y1 bis Y3 die drei aufeinanderfolgenden Abtastproben der Spannung in dem jeweiligen Satz sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die drei Sätze neun aufeinanderfolgende Abtastproben Y1 bis Y9 der Spannung umfassen und

a1 = (Y3(Y7 - Y4) + Y6(Y1 - Y7) + Y9(Y4 - Y1))/Y

a2 = (Y3(Y5 - Y8) + Y6(Y8 - Y2) + Y9(Y2 - Y5))/Y

b2 = (Y3(Y7Y5 - Y8Y4) + Y6(Y8Y1 - Y7Y2) + Y9(Y4Y2 - Y5Y1))/Y

Y = Y7Y5 - Y8Y4 - Y7Y2 + Y4Y2 + Y8Y1 - Y5Y1.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die vorgegebene Abtastperiode ein ganzzahliges Vielfaches der Periode einer 50 Hz- oder 60 Hz- Wechselspannungsschwingungsform ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Abtastperiode 100 ms ist.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com