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PERFECTIONNEMENTS AUX SYSTEMES ELECTRIQUES POUR LA TRANSMISSION DE MESSAGES
La présente invention se rapporte à un système électrique pour la transmission de messages, et plus particulièrement à un système utilisant des ondes de fréquences porteuses. Un des buts de l'invention est d'accroïtre la flexibilité et l'efficacité de système de ce genre afin d'accroître la rangée des fréquences utilisées pour les signaux et de réduire le nombre et le coût des appareils néces- @ saires.
Un système établi suivant la présente invention permet la transmis- sion d'ondes couvrant une rangée beaucoup plus grande de fréquences que celle utili- sée jusqu'ici en pratique. Il est surtout adapté pour développer le plus possible , les caractéristiques d'une ligne de transmission dans laquelle un conducteur, ayant essentiellement la forme d'un cylindre creux, sert comme conducteur de retour à un conducteur intérieur concentrique séparé du précédent par un diélectrique convena-
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ble. Le brevet Américain No.1781124 du 11 Novembre 1930 décrit une ligne de ce genre. Une telle ligne peut transmettre avec une atténuation modérée des ondes ayant des fréquences de l'ordre de mégacycles.
Dans le système décrit, on utilise des ondes porteuses sur lesquel- les les signaux sont appliqués par modulations progressives successives. Une série de signaux sont d'abord appliqués sur un nombre correspondant d'ondes por- teuses, puis envoyés sur une ligne de transmission de la manière bien connue. En un certain point du système, ces ondes modulées sont appliquées en groupe à une deuxième onde porteuse de plus haute fréquence. D'autres groupes d'ondes modulées arrivant au même point à travers d'autres lignes de transmission peuvent semblable- ment être appliquées à la même onde porteuse ou à des ondes porteuses individuel- les. Les bandes de signaux à ondes porteuses obtenues de cette manière sont alors appliquées à une deuxième ligne dé transmission de préférence du type à conducteur coaxial.
Une ligne de transmission dans les deux sens peut être obtenue comme pré- cédemment soit en utilisant des rangées de fréquences différentes pour les deux di- rections ou des paires de conducteurs séparés.
L'atténuation par unité de longueur d'une ligne de transmission par- conducteur coaxial varie approximativement comme la racine carrée de la fréquence et inversement au diamètre intérieur du conducteur extérieur, Ces facteurs, avec la distance existant entre les répéteurs qui sont insérés en des intervalles dé- terminas dans la ligne de transmission, ainsi que l'atténuation possible entre les répéteurs sont cependant reliés l'un à l'autre d'une manière très flexible. En tenant compte de cette flexibilité, la dimension des conducteurs peut être réduite si la distance entre les répéteurs est moindre qu'une valeur standard donnée, et accrue si cette distance est plus grande, et elle peut être variée suivant la fré- quence maximum à transmettre.
Quand le système décrit est appliqué à une très vaste contrée, des problèmes très différents de construction et de trafic peuvent se présenter. Un des faits de l'invention se rapporte à l'emploi de conducteurs coaxiaux de diffé- rentes dimensions, propres à satisfaire à ces différentes conditions. Si un grand nombre de circuits sont requis en pleine campagne, un conducteur coaxial de 50 à 75 mms. de diamètre extérieur peut être satisfaisant.
Si certaines conditions, telles que des rues de villes ou d'autres difficultés de terrain, rendant l'emploi
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de conducteurs aussi importants impraticable, il peut être plus économique d'utili- ser une ou plusieurs paires de conducteurs coaxiaux de faibles diamètres, renfer- més dans une enveloppe en plomb, de manière à constituer un câble flexible, tel que celui décrit dans le brevet Américain de Mr.H.W. Dudley déposé le 8 Octobre 1930 sous le numéro 487.153. Ainsi qu'il est noté ci-dessus, les petits conducteurs transmettent le spectre entier de fréquences utilisé dans un grand conducteur, quoi qu'une atténuation beaucoup plus grande se produise et qu'un espacei.ient plus res- treint des répéteurs soit requis.
Sous ces conditions il est préférable d'utili- ser plusieurs circuits à petit conducteur coaxial dans un câble, transmettant chacm seulement une partie du spectre des fréquences. Cela exige que la rangée de fré- quences soit divisée par des appareils convenables au terminus du grand conduc- teur, de sorte que la transmission à travers les petits conducteurs devient essen- tiellement un système à courants porteurs sur câble.
A titre d'exemple, supposons que l'on désire réaliser dans un dis- trict urbain tel que New-York un système à mille chemins ou circuits. Une paire coaxiale avec un tube de 80 mms. comme conducteur extérieur sert dans les dis- tricts ruraux à transmettre la bande de fréquences de quatre et demi millions de cycles, qui peut être requise. Cependant dans la région métropolitaine, des dif- ficultés considérables peuvent se présenter pour placer un conducteur large et in- flexible à travers le réseau souterrain de lignes, des tuyaux, canalisations et autres constructions de trouvant en-dessous des rues de la ville. Une paire coa- xiale flexible de 13 mms de diamètre, placée dans une enveloppe en plomb, est beaucoup plus pratique.
Cela transmettra la bande entière de fréquences produi- sant pour la fréquence la plus haute une atténuation d'environ six décibels par @ mile. Un tel conducteur peut servir pour atteindre la première station répétitri- ce en dehors de New-York, laquelle peut se trouver à une distance d'environ 15 Kms, assez loin pour que la dépende d'installation d'une ligne sous grand tube, sous l'Hudson River et sous les districts à population très dense, soit évitée.
Il sem- ble plus économique de prévoir la ligne avec tube de 80 mms se terminant en quel- que point suburbain, et des appareils réduisant la bande de quatre et demi million de cycles en trente trois bandes séparées ayant chacune une fréquence maximum d' environ 140 Kilocycles., un câble contenant trente trois paires coaxiales de 6 à
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7 mms, de diamètre s'étendant de la à New-York. Un câble à multiconducteurs de type convenable est décrit dans le brevet de Mr.H.W. Dudley.
Dans plusieurs cas, comme par exemple si une ville placée sur la route de la ligne de transmission à grand conducteur doit être connectée dans le système, le nombre de chemins requis pour le branchement ne sera pas suffisant pour justifier l'installation d'un grand conducteur et ses équipements modulateurs et démodulateurs. Si un tel cas se présente, on peut utiliser un câble à multi- conducteurs, ainsi qu'il a été décrit. De même il peut être préférable d'enfermer une ou plusieurs paires coaxiales dans ùn câble contenant aussi un certain nombre de paires à fréquences phoniques.
Un cas ordinaire pour lequel un système de.transmission à conduc- teurs coaxiaux se recommande spécialement, se présente quand les stations répéti- trices existantes ne sont pas également espacées. Avec les systèmes utilisés jus- qu'ici, cette condition résultait du fait que l'atténuation entre des répéteurs était inférieur ou supérieur à la valeur standard trouvée la plus satisfaisante pour le système. Cependant la ligne à conducteur coaxial peut être proportionné de sorte que l'atténuation voulue est obtenue dans chaque section répétitrice.
Une autre caractéristique de la ligne de transmission à conducteur coaxial s'adapte particulièrement à l'emploi du système décrit. Ainsi que cela a été exposé dans le brevet de Mr. E.L. Green déposé aux Etats-Unis d'Amérique le 30 Janvier 1930 sous le numéro 424.677, l'impédance caractéristique des sections prolongées d'une ligne à conducteur coaxial est déterminée par le rapport des dia- mètres de leurs conducteurs. Dès lors deux lignes de diamètres différents peuvent être réunies directement. sans occasionner une irrégularité d'impédance sérieuse (qui provoquerait un phénomène de réflexion indésirable) pourvu que le même rapport des diamètres soit maintenu.
Un des buts de l'invention est d'adapter les conducteurs d'une ligne de transmission à conducteur coaxial à l'espacement irrégulier des répéteurs Un autre but, plus particulier, de l'invention est d'obtenir une proportionnalité maximum des conducteurs comprenant une section répétitrice où certaines longueurs des dits conducteurs sont de diamètre déterminé.
L'immunité inhérente d'un circuit à conducteur coaxial, à l'inter-
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férence extérieure, est une autre considération qui intervient dans l'emploi de 1' invention. Le niveau des signaux transmis sur un tel conducteur peut tomber à une valeur basse non usuelle, et si basse en fait que les perturbations moléculaires se produisant dans les tubes à vide ou autres éléments répéteurs, ainsi que l'agita- tion thermique dans le conducteur, deviennent des facteurs limites en plusieurs cas.
A cause de la distribution concentrique des conducteurs entre-eux, les champs élec- trostatiques et magnétiques créés par les signaux sur la ligne sont confinés à l'es- pace annulaire qui existe entre les conducteurs, et plus spécialement pour les plus hautes fréquences. Ces deux caractéristiques tendent à rendre le cross-talk ou mêla: ge inductif, entre les paires coaxi&les adjacentes, faible.
D'autres buts et faits de l'invention sont mieux compris de la des- cription suivante basée sur les dessins ci-joints. Surceux-ci: la figure 1 donne une vue schématique des appareils et circuits terminus utilisés dans l'une des formes de réalisation de l'invention; la fig.2 montre schématiquement un système de trans- mission téléphonique; la fig.3 se rapporte à la sensibilité au cross-talk de divers types de lignes de transmission; et la fig.4 montre en détail un élément du système de la figure 2.
La fig.l représente le schéma d'une station terminus. On peut voir 'la manière suivant laquelle la modulation et la démodulation successive a lieu dans le but d'effectuer une transmission des signaux dans les deux sens entre une ligne commune 20 à conducteur coaxial et une multiplicité de lignes téléphoniques ordinai- res 1, Le groupe d'appareils désignés 40 comprend une série de modulateurs pour che- min 4 qui transfèrent les signaux téléphoniques venant des lignes 1 vers des positions dans la bande'de fréquences intermédiaires des ondes modulées appliquées aux conduc- teurs 42. Il comprend aussi une série de démodulateurs 5 qui réduisent les bandes de fréquences intermédiaires des ondes modulées venant des conducteurs 43, à leurs basses .fréquences originales pour leur application aux lignes téléphoniques 1.
En 50 se trouve un groupe d'appareils servant à transférer la série des bandes d'ondes simple- ment modulées, fournies par les divers groupes 40, vers leurs positions respectives dans une bande encore'plus grande et plus haute appliquée à la ligne 20. Un modu- lateur 44 est prévu pour chacun des groupes 40. De même une série de démodulateurs de groupe 45 sont inclus, chacun desquels effectue l'étape préliminaire de démodula-
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tion d'une partie de la bande des ondes arrivant à travers la ligne 20. Le circuit de départ de chacun de ces démodulateurs est appliqué à son appareil associé 40 pour d'autres démodulations et l'application éventuelle aux lignes téléphoniques 1.
Les circuits modulateurs et démodulateurs 40 peuvent être du type uti- lisé ordinairement pour des transmissions par ondes porteuses. A titre d'exemple, trois chemins à fréquehces téléphoniques sont indiqués dans chaque groupe, bien qu' un plus grand nombre puisse être employé en pratique. Chacune des lignes téléphoni- ques 1 est pourvue d'une bobine hybride 2 qui séparé les ondes téléphoniques de sig- nalisation de départ et d'arrivée. Les réseaux 3 équilibrent les lignes. Des sig- naux venant du circuit téléphonique d'abonné passent à travers les enroulements de départ 38 de la bobine hybride vers le modulateur 4.
Ce dernier est de préférence du type dahs lequel l'onde porteuse est supprimée, ainsi qu'il est décrit dans le brevet Américain 1.343.306 déposé le 15 Juin 1920 au nom de Mr.J.R. Carson. Dans chaque chemin, une bande latérale est supprimée par les filtres passes-bandes 8,18,28, res- pectifs. Les bandes de signaux fournies par ces filtres sont appliquées aux con- ducteurs collecteurs 38 et passent à travers l'amplificateur 46, puis les conducteurs 42 vers le modulateur du deuxième étape ou modulateur de groupe, vers l'appareil 50.
, Les fréquences des ondes porteuses produites par les divers générateurs à hautes fré- quences 6,16 et 26 et appliquées aux modulateurs 4 peuvent différer l'une de l'autre par un peu plus que la largeur de la bande de signaux à transmettre. La séparation nécessaire dépendra du type de filtre utilisé. Le brevet Américain 1,227,113 du 22 liai 1917 accordé à Mr. C.A. Campbell décrit un filtre convenable. Les fréquences des bandes les plus hautes produites par les modulateurs 4 peuvent être de l'ordre de cinq cent mille cycles par secondes, et celles des bandes les plus basses, de cin- quante mille cycles. Ces chiffres sont cependant purement arbitraires et peuvent varier en concordance avec le nombre de chemins qu'il faut prévoir, le nombre et les caractéristiques des lignes convenables, et d'autres facteurs.
Les appareils récepteurs de chaque groupe 40 comprennent une série de filtres passes-bandes 9,19,29 connectés aux conducteurs distributeurs 39 pour séparer les chemins à ondes porteuses comprenant la bande des signaux appliqués aux dits con- ducteurs par l'amplificateur 47 et les conducteurs 43. En.série avec chacun de ces filtres se trouve un démodulateur 5 auquel est connecté les,générateurs individuels
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à hautes fréquences 7,17,27.
Les démodulateurs et les générateurs à hautes fréquen- ces peuvent être du type décrit dans le brevet Carson ou dans quelques autres types d'appareils. convenables. La fréquence de l'onde porteuse fournie à chaque démodula- teur par son générateur associé à haute fréquence est telle que la démodulation fi- nale des ondes appliquées est obtenue. Les signaux résultante à gréquences auditi- ves passent vers les enroulements d'entrée des bobines hybrides 2, puis de là vers les lignes d'abonnés 1.
Les circuits démodulateurs et modulateurs de groupes, indiqués en 50, sont semblables aux circuits 40, excepté qu'ici une multiplicité de groupes de che- mins pour ondes porteuses sonttransférés par un deuxième procédé de modulation vers des positions dans une bande encore plus grande d'ondes modulées, et inversement, une large bande d'ondes reçues modulées est séparée en une multiplicité de groupes dont chacun est ensuite réduit par démodulation à la rangée de fréquences du simple sys- tème par ondes porteuses modulées. Comme montré fig,l une transmission dans les deux sens à travers une simple paire de conducteurs peut avoir lieu. Différentes rangées de fréquences sont utilisées pour effectuer la séparation des signaux passant en di- rections opposées.
Si une fréquence de l'ordre de cinq millions de cycles par second de est choisie comme la plus haute fréquence, le filtre passe-bande d'envoi 15 peut transmettre une bande s'étendant de trois mille à cinq mille*kilocycles par seconde, et le filtre passe-bande récepteur 25 peut transmettre une bande de cinq cents à deux mille cinq cents Kilocycles par seconde. Si deux ou plusieurs lignes de trans- mission sont possibles entre des points, il est préférable d'utiliser des lignes sépa rées pour chaque direction de transmission.
Des signaux des appareils dans chaque groupe 40 sont appliqués aux modu- lateurs 44. Les générateurs 11,21,31 etc.. fournissant des ondes porteuses dont les fréquences s'étendent dans la rangée de trois mille à cinq mille Kilocycles par se- conde et différent l'une de l'autre de l'ordre de la largeur de la bande du groupe.
Les ondes doublement modulées passent alors respectivement à travers des filtres de bandes 13,23,33, etc..... vers les conducteurs collecteurs 10. Elles sont ensuite transmises comme une bande à travers un amplificateur commun 48 et le filtre 15 vers la ligne de transmission 20.
Les signaux arrivant de la ligne de transmission 20 sont séparés des on-
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des de départ par un filtre passe-bande 25 pour ondes reçues. Ces signaux passent ensuite à travers l'amplificateur 49 pour être appliqués aux barres collectrices 30.
Des filtres 14,24,34, etc... divisent la bande reçue de signaux en un certain nombre de groupes de chemins. Chaque groupe d'ondes est alors appliqué à un démodulateur 45 connecté aux sources respectives d'ondes porteuses 12,22,32, etc... Les fréquen- ces des ondes porteuses produites sont ajustées pour réduire les divers groupes de chemins en'rapport avec la rangée pour laquelle les circuits 40 sont adaptés. Ces ondes se trouveront donc, dans le cas envisagé, entre cinq cents et deux mille cinq cents Kilocycles par seconde.
Des stations terminus, placées en d'autres points du système auquel le conducteur 20 est connecté, peuvent être établies suivant les principes exposés pour la station décrite. Bien que les équipements 40 et 50 puissent se trouver très près l'un de l'autre, ainsi qu'il est montré, ces équipements peuvent cependant être pré- vus en des points très distants, une ligne de transmission pour ondes phrteuses pou- vant connecter ces points. De plus des appareils semblables à ceux des stations ter- minus peuvent être connectés au conducteur 20 en des points intermédiaires pour pré- voir une connexion avec d'autres points du système.
La ligne de transmission 20 comprend une enveloppe cylindrique exté- rieure 35, de préférence en cuivre, et une enveloppe intérieure 36, aussi de préfé- rence en cuivre. Ces enveloppes sont maintenues en relation concentrique au moyen' de pièces isolantes d'espacement 37. Ces dernières sont faites d'une matière di- électrique convenable présentant de faibles angles de perte et une basse constante diélectrique, de manière qu'une dérivation minimum entre les conducteurs soit in- troduite. Comme dans certains cas il est désirable de connecter un certain nombre de groupes de modulateurs d'étage primaire à un modulateur distant d'étage secondaire, il peut être avantageux d'utiliser un câble à conducteurs multiples tel que celui montré en 79 figure 4.
Celui-ci comprend un certain nombre de conducteurs coaxiaux, arrangés en un groupe recouvert d'une enveloppe en plomb 78. Les conducteurs coa- xiaux individuels sont désignés sur la même base que le conducteur 20 de la fig.l.
Le conducteur central de chaque paire peut être du type tubulaire ou plein. Des piè ces isolantes d'espacement 77, en porcelaine, en caoutchouc durci, en verre ou en te toute autre matière convenable sont prévues en des intervalles suffisantes, le long
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du conducteur central. Un câble à conducteurs multiples de ce genre est décrit plus en détail dans le brevet Américain 487.153 déposé le 8 Octobre 1930 par Mr.H.W.Dudley,
Le type de ligne à conducteurs coaxiaux, tel que décrit ci-dessus, présen te certaines caractéristiques qui peuvent être avantageusement utilisées dans la pré- sente invention.
La relation entre l'atténuation et la fréquence d'une ligne à con- ducteurs coaxiaux, pour les hautes fréquences, est donnée approximativement par l'é- quation suivante:
EMI9.1
dans laquelle R,G,C et L représentent respectivement la résistance, la/conductance shunt, la capacité et l'inductance par unité de longueur. Les facteurs R, C et L peuvent être déterminés par les formules approximatives suivantes, G étant supposa égal à zéro:
EMI9.2
ou b est le diamètre extérieur du conducteur interieur,c le diamètre intérieur du conducteur extérieur, f la fréquence supposée être, dans le but de faciliter les cal- culs, la plus haute fréquence de la bande transmise, et ko, k1, k2 des constantes nu- mériques.
L'atténuation peut donc s'exprimer en fonction du diamètre et de la fré- quence comme suit!
EMI9.3
or puisque le rapport de c à b est de préférence maintenu constant,
EMI9.4
En d'autres termes, l'atténuation par unité de longueur de ligne est pro- portionnelleà la racine carrée de la fréquence et aux diamètres des conducteurs.
Dans la rangée des fréquences utilisées à titre d'exemple, les dimensions des conduc- teurs peuvent être réduites si on le désire sans occasionner beaucoup plus qu'un chan- gement proportionnel dans l'atténuation.
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Une autre caractéristique des conducteurs coaxiaux peut aussi être uti- lisée avec avantage. L'impédance caractéristique d'une telle ligne est donnée par l'expression approximative
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Les valeurs de L et C des quations (3) et (4) sont seulement fonction du rapport des diamètres des conducteurs intérieurest extérieur. L'expression pour l'impédance caractéristique peut être réduite à
EMI10.2
qui est une fonction seulement du rapport des diamètres. Une analyse plus détail- lée et plus précise est exposée dans le brevet Américain 424.677 déposé le 3 Jan- vier 1930 par Mr.E.I. Green. Comme décrit en ce brevet, cette caractéristique per- met de faire des changements dans le diamètre de la ligne coaxiale, sans occasion- ner des phénomènes de réflexion, pourvu que le même rapport des diamètres, inté- rieur et extérieur, soit maintenu.
Sur la fig.2 est montré schématiquement un système pour interconnecter des centres distants et des points intermédiaires de distribution. Des paires de conducteurs coaxiaux, de différents diamètres respectifs, sont indiquées comme con- nectées en tandem, de manière à produire une atténuation de la valeur requise entre des répéteurs, et en même temps pour faire correspondre la structure physique du conducteur aux différente genres de terrains qui peuvent être rencontrée.
En 51 est indiqué un district urbain à une des extrémités du système.
Le poste téléphonique d'abonné 1 représente les milliers d'abonnés qui peuvent être reliés aux bureaux centraux du district. Une région suburbaine est indiquée en 52 Ici un certain nombre de chemins ordinaires à fréquences porteuses et un chemin re- présentatif de district voisin sont montrés comme connectés à un deuxième étage de modulation pour transmettre à une simple ligne à conducteur coaxial. Une ligne tri- butaire entre,au point distant 54 pour relier les districts 53 et 54 au système.
Le premier de ces districts 53 n'exige pas un nombre suffisant de chemins pour jus- tifier l'installation d'un équipement modulateur de groupes. Il est donc connecté au district plus peuplé 55, où les facilités modulatrices nécessaires sont déjà uti- lisées. En un point suivant sur la ligne, un certain nombre de chemins à hautes
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fréquences sont dirigés à travers le conducteur 93 pour transmettre vers d'autres villes. Dans le district terminus 56 est placé un premier étage d'appareils démodu lateurs 58. Différents chemins sont ensuite entièrement démodulés en ce point.
D'autres chemins peuvent transmettre comme un système par courants porteurs pour finalement démoduler les courants en 57 et éventuellement les envoyer à un système 100 de bureaux téléphoniques ordinaires.
Dans le but de faciliter la description, un système unidirectionnel est représenté. Toutefois il est évident qu'un système parallèle de retour peut être prévu, ou que si on le désire la rangée de fréquences peut être divisée afin de sé- parer la transmissinn dans les deux directions ainsi qu'il est montré fig.l. Dans ce dernier cas des répéteurs, agissant dans les deux sens at bien connus en télé- phonie, peuvent être utilisés.
Considérant de nouveau la figure 2, il est montré dans le district ur- bain 51 un certain nombre de modulateurs 61 du premier étage de modulation, préfé- rablement du type montré fig.l et arrangés pour être connecter au système télépho- nique de ce district. Après que des signaux sont appliqués sur des ondes porteuses, ils passent à travers des amplificateurs de départ respectifs 62 vers les lignes de transmission 63 qui les conduisent vers les amplificateurs d'entrée 64 du district suburbain52 . Des câbles séparés peuvent être utilisés pour les lignes 53, ou un câble à multiples conducteurs, tel que celui montré fig.4, peut être employé. Les bureaux téléphoniques du district 52 sont connectés au modulateur 66 du premier éta ge.
Les ondes porteuses modulées de ce dernier, avec celles reçues des lignes 63 sont appliquées au modulateur 65 du deuxième étage qui est de préférence du type @ montré fig.l. la large bande résultante d'ondes de signalisation passe alors à travers l'amplificateur 70 et est appliquée à une paire de conducteurs coaxiaux 81.
Entre l'amplificateur 70 et le premier amplificateur ou répéteur 71 il est indiqué un changement dans le diamètre des conducteurs. La première section 81 est de faible diamètre. Elle peut être formée d'une paire flexible de conducteurs recouverte de plomb et adaptée pour être installée dans les conduits du système té- léphonique local. A la sortie du district où de faibles difficultés sont rencon- trées pour le placement d'un conducteur rigide de grand diamètre, la section 81 est connectée à..une autre paire de conducteurs coaxiaux, tels par exemple que ceux in-
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diqués fig.l.
Bien que les diamètres des conducteurs extérieurs puissent passer d' une fraction d'inch (25 mms 4) dans la section 81 à plusieurs inchs dans la section 82,m le même rapport du diamètre intérieur du conducteur extérieur au diamètre ex- térieur du' conducteur central doit être de préférence maintenu. Avec un diamètre donné du conducteur extérieur, un minimum d'atténuation peut être obtenu quand ce r rapport est approximativement 3. 6. Cependant le chiffre maximum varie avec la fré- quence maximum transmise et avec les diamètres absolus des conducteurs. Semblable- ment quand on approche des répéteurs 71, il peut être désirable d'utiliser une sec- tion 83 de diamètre réduit.
L'immunité qu'offrent les conducteurs coaxiaux aux variations des con- ditions atmosphériques, et aux interférences des champs électriques extérieurs peut être utilisée avec succès. La conductance shunt des lignes en circuit ouvert varie . entre de larges limites à mesure que les conditions atmosphériques changent l'effi- cacité de l'isolant entre les conducteurs. Il en résulte que les appareils associés avec les répéteurs pour limiter le niveau des signaux reçus et pour contrôler le gain des répéteurs doivent opérer à travers une large rangée correspondante, et l'ef ficacité totale du répéteur peut être réalisée seulement sous des conditions maxima., Le niveau de bruit dans une ligne en circuit ouvert, dû aux perturbations atmesphé- riques, est aussi considérable et plus important au point de vue de l'efficacité d' opération.
Un haut rapport du niveau de signalisation au niveau de bruit peut être maintenu', ce qui ne serait pas le cas autrement. La figure 3, comparant les effets de cross-talk en circuits ouverts, en circuits ordinaires par câbles, et en circuits à conducteurs coaxiaux, montre comment effectivement ces derniers circuits sont pro- tégés des interférences. Le cross-talk dans le cas des deux premiers genres de cir- cuits s'accroît fortement avec l'élévation de la fréquence. Dans le conducteur coa- xial, il décroît et même pour quinze mille cycles par seconde:: il est si petit qu'il peut être négligé. Il est de moindre importance que le bruit inhérent dans les élé- ments amplificateurs des répéteurs et les bruits de résistance dans les conducteurs.
Avec le niveau réduit auquel les cignaux peuvent être atténués, et dé- terminé par un niveau de bruit fixé relativement au lieu de l'être par un niveau variant largement tel qu'il se produit dans les systèmes en circuits ouverts, il est possible d'utiliser d'une manière plus précise le gain total du répéteur à tout mo-
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ment. Les conducteurs eux-mêmes peuvent être proportionnés de manière que les signaux soient atténués entre les répéteurs à cette limite, la nécessité d'atténu- er les chemins étant dans certains cas éliminée et les conditions des appareils con- trôlant le gain fortement réduites.
Ainsi qu'il a été établi précédemment, des répéteurs peuvent être installés dans une ligne à conducteurs coaxiaux en des intervalles de peut-être
80 Kms, 11 serait désirable, dans un but d'uniformité et d'économie, que chaque section répétitrice soit identique à chaque autre en longeur, en diamètre; en atté- nuation, etc..., les appareils prévus dans chaque section fonctionnant à leurs plus grandes capacités. On doit cependant envisager une autre considération, c'est-à- dire qu'il est préférable que les répéteurs soient logés aux bureaux répéteurs té- léphoniques existants dans les villes où une surveillance est possible par des per- sonnes expertes, et où le répétéur peut être associé ou combiné avec les modula- teurs et démodulateurs locaux, ou autres appareils analogues.
Entre certains points tels que 72 et 73 fig.2, un espacement standard pour répéteur de peut-être
80 Kms, peut être obtenu. A un autrs point situé à 80 Kms. il n'y a peut-être au- cune station répétitrice téléphonique et il est nécessaire que le répéteur 72 soit placé seulement à 50 Kms. du répéteur précédent 71. Il peut aussi être nécessaire de transmettre à 130 Kms. entre des points répéteurs comme dans le cas de la sec- tion 88 entre les répéteurs 74 et 75. Ces espacements inégaux entre les stations répétitrices fonderaient, si un conducteur uniforme était utilisé, à provoquer de .grandes différences dans le niveau des signaux arrivant aux divers répéteurs.
'Ces différences en niveau peuvent être corrigées en pratique ordi- naire en insérant des chemins d'atténuation, par exemple en un point précédentus- tement le répéteur 72 au terminus de la courte section répétitrice 84, et cela a- fin de réduire à un niveau d'arrivée standard les signaux appliqués à l'amplifica- teur. Dans la longuesection répétitrice 88, un répéteur standard de plus grande , puissance'peut être utilisé en 74. Dans les deux cas un contrôle du gain automati-, que peut être utilisé en conjonction avec chaque répéteur, avec ou sans le chemin atténuateur mentionné, afin de maintenir à un degré convenable le niveau d'entrée à chaque répéteur.
L'emploi de chemins d'atténuation, qui a été de pratique ordi- naire dans le cas de lignes en circuits ouverts, est à un certain point de vue une perte d'énergie. D'autre part l'efficacité de transmission de la ligne est plus
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grande que nécessaire et une plus grande atténuation peut être tolérée.
En concordance avec la présente invention, les proportions des conducteurs concentriques varient pour compenser la dissymétrie dans les sections répétitrices. L'équation (6) montre que pour un rapport donné entre le diamètre intérieur du conducteur extérieur et le diamètre extérieur du conducteur central, 1' atténuation de la ligne coaxiale varie directement avec la dimension du conducteur extérieur. Etant donné deux points quelconques entre lesquels une atténuation prédéterminée est permise, un conducteur coaxial d'un tel diamètre peut être choisi afin qu'il introduise juste l'atténuation voulue. Entre des points répéteurs il y a par exemple une valeur maximum pour l'atténuation totale déterminée principalement par le coût et la consommation d'énergie des répéteurs.
On a trouvé que cinune quant@@nq décibels était le maximum une L'élimination des chemins d' atténuation n'est pas le seul avantage résultant du fait que l'on proportionne les conducteurs à l'atténuation permise entre les points qu'il faut connecter. L'économie de la matière conductrice effectuée en réduisant les diamètres, o un rapport plus élevé d'atténuation peut être toléré, est de signification beaucoup plus grande. Cela est appréciable quand le coût des conducteurs est approximativement les trois quarts du coût du système.
On a vu que les diamètres des conducteurs peuvent changer à volonté pourvu que le même rapport entre ces diamètres soit maintenu. Une section 86 du conducteur entre les points répéteurs 73 et 74 par exemple peut être de diamètre limité, la section suivante 87 étant de grand diamètre. Même dans ce cas le diamètre du conducteur 87 peut être choisi de manière que l'atténuation permise totale entre les répéteurs 73 et 74 soit justement obtenue. Semblablement, le conducteur 82 n'a pas besoin d'être plus gros que nécessaire pour que l'atténuation totale dans les sections 81, 82 et 83 soit justement égale à la valeur permise.
Pour la section répétitrice 84 de 50 Kms., le diamètre du conducteur extérieur peut être réduit à 75 mms, la dimension utilisée dans la section 85 de 80 Kms peut être réduit aux trois cinquièmes de cette valeur ou environ 50 mms. Le conducteur central est réduit en proportion. Semblablement dans la section de 130 kms. un conducteur extérieur d'environ.7$5 mms de diamètre au lieu de 75 mms. peut être utilisé..
Bien que la longueur de la section répétitrice soit un facteur important dans la détermination du diamètre des conducteurs, la rangée transmise de
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fréquences n'est pas réduite. Ainsi que l'équation (6) le montre, l'atténuation varie approximativement avec la racine carrée de la fréquence. Pour cette raison, c'est l'atténuation de la plus haute fréquence transmise qui est envisagée. Si les bandes supérieures de fréquences sont supprimées comme par la ligne dérivée 93, la section suivante 88 peut être désignés par rapport à la nouvelle fréquence supé- rieure. La relation entre les divers facteurs entrant dans un système particulier est montrée ci-après pour la forme tubulaire. Dans la première colonne sont indi- qués en inches (25.4 mms) les diamètres intérieurs des conducteurs extérieurs.
Dans la deuxième colonne sont mentionnés les nombres de miles (1609.5 ms) entre les ré- péteurs. Dans la troisième colonne sont les fréquences transmises en Kilocycles par seconde. Dans la quatrième colonne sont marqués les nombres de chemins prévus agis. sant dans un seul sens.
EMI15.1
<tb>
Diamètres <SEP> des <SEP> Espacement <SEP> de <SEP> Fréquences <SEP> Nombre <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb> conducteurs <SEP> répéteurs <SEP> Maxima <SEP> chemins
<tb>
<tb> extérieurs.
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb>
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3 <SEP> in. <SEP> 100 <SEP> mi <SEP> 1100 <SEP> kc/s <SEP> 250
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> " <SEP> 50 <SEP> " <SEP> 4500 <SEP> " <SEP> 900
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> " <SEP> 100 <SEP> " <SEP> 450 <SEP> " <SEP> 110
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<tb> 2 <SEP> " <SEP> 50 <SEP> " <SEP> 1700 <SEP> " <SEP> 340
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> " <SEP> 25 <SEP> " <SEP> 7300 <SEP> " <SEP> 1450
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> " <SEP> 50 <SEP> " <SEP> 500 <SEP> " <SEP> 120
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> " <SEP> 25 <SEP> " <SEP> 2000 <SEP> " <SEP> 400
<tb>
<tb>
<tb> 1/2 <SEP> " <SEP> 25 <SEP> " <SEP> 500 <SEP> " <SEP> 120
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1/4 <SEP> " <SEP> 25 <SEP> " <SEP> 140 <SEP> " <SEP> 30
<tb>
Immédiatement après le répéteur 73 en circuit, se trouve une ligne de transmission tributaire 108.
Cette dernière transmet des signaux provenant du modulateur 105 de deuxième étage, qui à son tour est alimenté par un modulateur lo- cal 103 de premier étage et un modulateur semblable 101 placé dans le district voi- sin 53. Les signaux ainsi transmis à la ligne principale occupent une bande de fréquences supérieure à la fréquence la plus haute des signaux transmis par l'ampli- ficateur 73, ou une bande qui a été laissée vacante pour eux ou qui a été primiti- vement réservée. Le filtre passe-bande 106 laisse passer seulement ces bandes. Une ligne 93 est justement branchée sur la ligne principale avant que la station répé- titrice voisine 74 soit atteinte. Le filtre 91 s'oppose à tous les courants excep- tés ceux choisis pour ce branchement.
En 94 est représentée une section courte de faible diamètre, comme ceia peut être le cas dans la traversée d'une rivière ou d' une rue d'une ville qui se trouve sur le chemin de la ligne de transmission.
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Considérant à nouveau la ligne principale, on peut voir à l'extré- mité de la longue section 88 un amplificateur 75 et un démodulateur 58 de premier étage. Différents groupes de chemins peuvent immédiatement après être entièrement ; démodulés dans les appareils 59, et les fréquences téléphoniques résultantes sont transmises au système local. Un autre groupe peut être transmis sous fréquences porteuses à travers la ligne 60 vers le démodulateur 57 pour une connexion éven- tuelle avec le bureau téléphonique 100.
On doit remarquer que les valeurs particulières données ici, ainsi que les fréquences mentionnées, le sont à titre d'exemple. Les principes exposés pour la proportionnalité des conducteurs peuvent s'appliquer à des systèmes à con- ducteurs coaxiaux généralement avec la faible restriction quant aux diamètres, aux fréquences, à l'espacement des répéteurs, et au type particulier de ligne choisie, s'il y aune simple paire coaxiale, un câble à conducteurs multiples, ou autres arrangements équivalents.
REVENDICATIONS.
1 - Dans un système électrique de transmission de messages, une ligne de transmission comprend une série de sections présentant différentes con- stantes d'atténuation et des amplificateurs placés en une série de points de la ligne, les constantes d'atténuation des dites sections étant en rapport avec les longueurs de ces sections et la fréquence maximum devant être transmise entre les amplificateurs successifs, de manière que l'atténuation de la ligne entre les dits amplificateurs est pratiquement la même.
2- Dans un système électrique de signalisation, une ligne de transmission comprend un chemin à conducteur central et un chemin de retour formé par un tube cylindrique extérieur, ces chemins étant coaxiaux entre-eux et isolés l'un de l'autre, des amplificateurs étant prévus en des intervalles irréguliers sur la dite ligne, mais l'atténuation entre les amplificateurs successifs restant la même et comprend pratiquement seulement l'atténuation due à la dite ligne de transmission.
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IMPROVEMENTS TO ELECTRICAL SYSTEMS FOR THE TRANSMISSION OF MESSAGES
The present invention relates to an electrical system for the transmission of messages, and more particularly to a system using carrier frequency waves. One of the objects of the invention is to increase the flexibility and efficiency of such a system in order to increase the range of frequencies used for the signals and to reduce the number and the cost of the necessary apparatus.
A system established in accordance with the present invention allows the transmission of waves covering a much larger range of frequencies than that used heretofore in practice. It is especially suitable for developing as much as possible the characteristics of a transmission line in which a conductor, having essentially the shape of a hollow cylinder, serves as a return conductor to a concentric inner conductor separated from the previous one by a dielectric suitable. -
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corn. US Patent No. 1781124 of November 11, 1930 describes a line of this kind. Such a line can transmit with moderate attenuation waves having frequencies of the order of megacycles.
In the system described, carrier waves are used to which the signals are applied by successive progressive modulations. A series of signals are first applied to a corresponding number of carrier waves and then sent over a transmission line in the well known manner. At a certain point in the system, these modulated waves are applied as a group to a second, higher frequency carrier wave. Other groups of modulated waves arriving at the same point through other transmission lines can similarly be applied to the same carrier wave or to individual carrier waves. The carrier wave signal bands obtained in this way are then applied to a second transmission line, preferably of the coaxial conductor type.
A two-way transmission line can be obtained as before either by using rows of different frequencies for the two directions or by pairs of separate conductors.
The attenuation per unit length of a transmission line per coaxial conductor varies approximately as the square root of the frequency and vice versa at the inner diameter of the outer conductor, These factors, with the distance existing between repeaters which are inserted into However, certain intervals in the transmission line as well as the possible attenuation between repeaters are connected to each other in a very flexible way. Taking this flexibility into account, the size of the conductors can be reduced if the distance between repeaters is less than a given standard value, and increased if this distance is greater, and it can be varied according to the maximum frequency at transmit.
When the system described is applied to a very large area, very different construction and traffic problems may arise. One of the facts of the invention relates to the use of coaxial conductors of different dimensions, suitable for satisfying these different conditions. If a large number of circuits are required in the countryside, a 50 to 75 mm coaxial conductor. outside diameter may be satisfactory.
If certain conditions, such as city streets or other terrain difficulties, making the job
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such large conductors impractical, it may be more economical to use one or more pairs of coaxial conductors of small diameters, enclosed in a lead casing, so as to form a flexible cable, such as that described in American patent of Mr.HW Dudley deposited on October 8, 1930 under number 487.153. As noted above, small conductors transmit the entire spectrum of frequencies used in a large conductor, although much greater attenuation occurs and smaller repeaters space is required. .
Under these conditions it is preferable to use several small coaxial conductor circuits in a cable, each transmitting only a part of the frequency spectrum. This requires that the frequency array be divided by suitable devices at the terminus of the large conductor, so that the transmission through the small conductors essentially becomes a cable carrier system.
By way of example, suppose that one wishes to realize in an urban district such as New York a system with a thousand paths or circuits. A coaxial pair with an 80 mm tube. as an outer conductor is used in rural districts to transmit the frequency band of four and a half million cycles, which may be required. However, in the metropolitan area, considerable difficulty can arise in placing a large and inflexible conductor through the underground network of lines, pipes, pipelines and other constructions lying below city streets. A flexible coaxial pair 13 mm in diameter, placed in a lead envelope, is much more practical.
This will transmit the entire band of frequencies producing at the highest frequency an attenuation of about six decibels per @ mile. Such a conductor can be used to reach the first repeater station outside New York, which can be at a distance of about 15 km, far enough that the installation of a line under large tube depends. under the Hudson River and under densely populated districts be avoided.
It seems more economical to provide the line with an 80 mm tube ending at some suburban point, and devices reducing the band from four and a half million cycles into thirty three separate bands each having a maximum frequency of about 140 Kilocycles., A cable containing thirty three coaxial pairs of 6 to
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7 mms, in diameter extending from the to New York. A suitable type multicore cable is disclosed in Mr. H.W. Dudley.
In many cases, such as if a city located on the route of the large conductor transmission line is to be connected in the system, the number of paths required for the connection will not be sufficient to justify the installation of a large conductor and its modulating and demodulating equipment. If such a case arises, a multi-conductor cable can be used, as has been described. Likewise it may be preferable to enclose one or more coaxial pairs in a cable also containing a number of phonic frequency pairs.
An ordinary case in which a coaxial conductor transmission system is especially recommended arises when the existing repeater stations are not equally spaced. With the systems used heretofore, this condition resulted from the fact that the attenuation between repeaters was lower or higher than the standard value found to be most satisfactory for the system. However, the coaxial conductor line can be scaled so that the desired attenuation is obtained in each repeater section.
Another characteristic of the transmission line with a coaxial conductor is particularly suited to the use of the system described. As stated in Mr. EL Green's patent filed in the United States of America on January 30, 1930 under number 424,677, the characteristic impedance of the extended sections of a coaxial conductor line is determined by the ratio of the diameters of their conductors. Therefore two lines of different diameters can be joined directly. without causing a serious impedance irregularity (which would cause an undesirable reflection phenomenon) provided that the same ratio of diameters is maintained.
One of the aims of the invention is to adapt the conductors of a transmission line with a coaxial conductor to the irregular spacing of the repeaters. Another, more particular, object of the invention is to obtain maximum proportionality of the conductors comprising a repeater section where certain lengths of said conductors are of determined diameter.
The inherent immunity of a coaxial conductor circuit, at the inter-
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external reference, is another consideration which comes into the use of the invention. The level of signals transmitted on such a conductor can drop to an unusual low value, and so low in fact that molecular disturbances occurring in vacuum tubes or other repeater elements, as well as thermal agitation in the conductor. , become limiting factors in several cases.
Because of the concentric distribution of the conductors between them, the electrostatic and magnetic fields created by the signals on the line are confined to the annular space which exists between the conductors, and more especially for the higher frequencies. These two characteristics tend to make the cross-talk or mix inductive, between the coaxial & adjacent pairs, weak.
Other objects and facts of the invention are better understood from the following description based on the accompanying drawings. Further: FIG. 1 gives a schematic view of the terminal devices and circuits used in one of the embodiments of the invention; FIG. 2 schematically shows a telephone transmission system; Fig. 3 relates to the cross-talk sensitivity of various types of transmission lines; and Fig. 4 shows in detail an element of the system of Fig. 2.
Fig.l shows the diagram of a terminal station. It can be seen how the successive modulation and demodulation takes place for the purpose of effecting two-way signal transmission between a common coaxial conductor line 20 and a multiplicity of ordinary telephone lines 1, Le. The group of designated apparatus 40 comprises a series of path modulators 4 which transfer the telephone signals from the lines 1 to positions in the intermediate frequency band of the modulated waves applied to the conductors 42. It also includes a series demodulators 5 which reduce the intermediate frequency bands of the modulated waves coming from the conductors 43, to their original low frequencies for their application to telephone lines 1.
At 50 is a group of apparatus for transferring the series of simply modulated wavebands, supplied by the various groups 40, to their respective positions in an even larger and higher band applied to line 20. A modulator 44 is provided for each of the groups 40. Likewise a series of group demodulators 45 are included, each of which performs the preliminary step of demodulating.
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tion of part of the band of waves arriving through line 20. The starting circuit of each of these demodulators is applied to its associated apparatus 40 for other demodulations and possible application to telephone lines 1.
The modulator and demodulator circuits 40 may be of the type ordinarily used for carrier wave transmissions. By way of example, three telephone frequency paths are shown in each group, although more may be employed in practice. Each of the telephone lines 1 is provided with a hybrid coil 2 which separates the outgoing and incoming signaling telephone waves. Networks 3 balance the lines. Signals from the subscriber telephone circuit pass through the outgoing windings 38 of the hybrid coil to modulator 4.
The latter is preferably of the dahs type in which the carrier wave is suppressed, as described in the American patent 1,343,306 filed June 15, 1920 in the name of Mr. J.R. Carson. In each path, a sideband is removed by the bandpass filters 8,18,28, respectively. The signal bands provided by these filters are applied to the collectors 38 and pass through the amplifier 46, then the conductors 42 to the second stage modulator or group modulator, to the apparatus 50.
The frequencies of the carrier waves produced by the various high frequency generators 6, 16 and 26 and applied to the modulators 4 may differ from each other by a little more than the width of the signal band to be transmitted. The separation required will depend on the type of filter used. United States Patent 1,227,113 of 22 November 1917 issued to Mr. C.A. Campbell describes a suitable filter. The frequencies of the highest bands produced by the modulators 4 may be of the order of five hundred thousand cycles per second, and those of the lowest bands of fifty thousand cycles. These figures are, however, purely arbitrary and may vary in accordance with the number of paths to be provided, the number and characteristics of suitable lines, and other factors.
The receiving apparatuses of each group 40 comprise a series of band-pass filters 9,19,29 connected to the distributor conductors 39 to separate the carrier wave paths comprising the band of signals applied to said conductors by the amplifier 47 and the conductors 43. In series with each of these filters there is a demodulator 5 to which the individual generators are connected.
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at high frequencies 7,17,27.
High frequency demodulators and generators may be of the type described in the Carson patent or in some other types of apparatus. suitable. The frequency of the carrier wave supplied to each demodulator by its associated high frequency generator is such that the final demodulation of the applied waves is obtained. The resulting audio frequency signals pass to the input windings of the hybrid coils 2, and from there to the subscriber lines 1.
The demodulator and group modulator circuits, indicated at 50, are similar to circuits 40, except that here a multiplicity of groups of carrier wave paths are transferred by a second modulation process to positions in an even larger band d. Modulated waves, and vice versa, a wide band of modulated received waves is separated into a multiplicity of groups each of which is then demodulated to the frequency row of the single modulated carrier wave system. As shown in fig, transmission in both directions through a single pair of conductors can take place. Different rows of frequencies are used to separate the signals passing in opposite directions.
If a frequency of the order of five million cycles per second of is chosen as the highest frequency, the send bandpass filter 15 can transmit a band ranging from three thousand to five thousand * kilocycles per second, and the receiver band pass filter 25 can transmit a band of five hundred to two thousand five hundred kilocycles per second. If two or more transmission lines are possible between points, it is preferable to use separate lines for each direction of transmission.
Signals from the devices in each group 40 are applied to modulators 44. The generators 11,21,31 etc. providing carrier waves with frequencies ranging in the range of three thousand to five thousand kilocycles per second and different from each other by the order of the width of the band of the group.
The doubly modulated waves then pass respectively through filters of bands 13,23,33, etc ..... to the collecting conductors 10. They are then transmitted as a band through a common amplifier 48 and the filter 15 to the transmission line 20.
The signals arriving from the transmission line 20 are separated from the on-
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starting points by a bandpass filter 25 for received waves. These signals then pass through amplifier 49 to be applied to bus bars 30.
Filters 14,24,34, etc ... divide the received band of signals into a number of path groups. Each group of waves is then applied to a demodulator 45 connected to the respective sources of carrier waves 12,22,32, etc. The frequencies of the produced carrier waves are adjusted to reduce the various groups of paths in relation to each other. with the row for which the circuits 40 are suitable. These waves will therefore be, in the case considered, between five hundred and two thousand five hundred kilocycles per second.
Terminal stations, placed at other points of the system to which the conductor 20 is connected, can be established according to the principles set out for the station described. Although the equipments 40 and 50 can be found very close to each other, as shown, these equipments can however be provided at very distant points, a line of transmission for phrtal waves can be seen. before connecting these points. In addition, devices similar to those of end stations can be connected to conductor 20 at intermediate points to provide a connection with other points of the system.
The transmission line 20 comprises an outer cylindrical shell 35, preferably of copper, and an inner shell 36, also preferably of copper. These shells are kept in concentric relation by means of insulating spacers 37. These are made of a suitable dielectric material having low loss angles and low dielectric constant, so that a minimum shunt between. the conductors is introduced. As in some cases it is desirable to connect a number of groups of primary stage modulators to a remote secondary stage modulator, it may be advantageous to use a multi-conductor cable such as that shown in Fig. 4.
This comprises a number of coaxial conductors, arranged in a group covered with a lead casing 78. The individual coaxial conductors are designated on the same basis as the conductor 20 of FIG. 1.
The central conductor of each pair can be of the tubular or solid type. Insulating spacers 77, of porcelain, hardened rubber, glass, or other suitable material are provided at sufficient intervals along
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center conductor. A multi-conductor cable of this kind is described in more detail in U.S. Patent 487,153 filed October 8, 1930 by Mr. H.W. Dudley,
The type of line with coaxial conductors, as described above, has certain characteristics which can be advantageously used in the present invention.
The relation between the attenuation and the frequency of a coaxial conductor line, for high frequencies, is given approximately by the following equation:
EMI9.1
where R, G, C and L represent respectively the resistance, the shunt / conductance, the capacitance and the inductance per unit length. The factors R, C, and L can be determined by the following approximate formulas, with G being assumed to be zero:
EMI9.2
where b is the outer diameter of the inner conductor, c the inner diameter of the outer conductor, f the frequency assumed to be, in order to facilitate the calculations, the highest frequency of the transmitted band, and ko, k1, k2 of the numerical constants.
The attenuation can therefore be expressed as a function of the diameter and the frequency as follows!
EMI9.3
since the ratio of c to b is preferably kept constant,
EMI9.4
In other words, the attenuation per unit line length is proportional to the square root of the frequency and the diameters of the conductors.
In the row of frequencies used as an example, the dimensions of the conductors can be reduced if desired without causing much more than a proportional change in attenuation.
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Another characteristic of coaxial conductors can also be used with advantage. The characteristic impedance of such a line is given by the approximate expression
EMI10.1
The values of L and C of equations (3) and (4) are only a function of the ratio of the diameters of the inner and outer conductors. The expression for the characteristic impedance can be reduced to
EMI10.2
which is a function only of the ratio of diameters. A more detailed and precise analysis is set forth in United States Patent 424,677 filed Jan. 3, 1930 by Mr.E.I. Green. As described in this patent, this feature allows changes to be made in the diameter of the coaxial line, without causing reflection phenomena, provided that the same ratio of diameters, inner and outer, is maintained.
In fig. 2 is shown schematically a system for interconnecting remote centers and intermediate distribution points. Pairs of coaxial conductors, of different respective diameters, are shown as connected in tandem, so as to produce attenuation of the required value between repeaters, and at the same time to match the physical structure of the conductor to the different kinds of. terrains that can be encountered.
At 51 is indicated an urban district at one end of the system.
Subscriber telephone set 1 represents the thousands of subscribers that can be connected to central district offices. A suburban region is indicated at 52 Here a number of ordinary carrier frequency paths and a neighboring district representative path are shown as connected to a second modulation stage for transmitting to a single coaxial conductor line. A trunking line enters at remote point 54 to connect Districts 53 and 54 to the system.
The first of these districts 53 does not require a sufficient number of paths to justify the installation of group modulator equipment. It is therefore connected to the more populated district 55, where the necessary modulating facilities are already in use. At a next point on the line, a number of highways
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frequencies are directed through conductor 93 to transmit to other cities. In the terminus district 56 is placed a first stage of demodulating devices 58. Different paths are then fully demodulated at this point.
Other paths can transmit as a powerline system to eventually demodulate the currents at 57 and possibly send them to a system 100 of ordinary telephone offices.
For ease of description, a unidirectional system is shown. However, it is obvious that a parallel return system can be provided, or that if desired the row of frequencies can be divided in order to separate the transmission in the two directions as shown in fig.l. In the latter case repeaters, acting in both directions and well known in telephony, can be used.
Considering again figure 2, there is shown in the urban district 51 a number of modulators 61 of the first modulation stage, preferably of the type shown in fig. 1 and arranged to be connected to the telephone system of this. district. After signals are applied on carrier waves, they pass through respective start amplifiers 62 to transmission lines 63 which lead them to input amplifiers 64 of the suburban district52. Separate cables can be used for lines 53, or a multi-conductor cable, such as that shown in fig. 4, can be used. Telephone offices in district 52 are connected to modulator 66 of the first stage.
The modulated carrier waves of the latter, with those received from the lines 63 are applied to the modulator 65 of the second stage which is preferably of the type shown in fig.l. the resulting broadband of signal waves then passes through amplifier 70 and is applied to a pair of coaxial conductors 81.
Between amplifier 70 and first amplifier or repeater 71 there is indicated a change in the diameter of the conductors. The first section 81 is of small diameter. It can be formed from a flexible pair of conductors covered with lead and adapted to be installed in the conduits of the local telephone system. On leaving the district where little difficulty is encountered in placing a large diameter rigid conductor, section 81 is connected to another pair of coaxial conductors, such as, for example, those included.
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dicated fig.l.
Although the diameters of the outer conductors may vary from a fraction of an inch (25 mms 4) in section 81 to several inches in section 82, the same ratio of the inner diameter of the outer conductor to the outer diameter of the ' center conductor should preferably be maintained. With a given diameter of the outer conductor, a minimum of attenuation can be obtained when this ratio is approximately 3. 6. However, the maximum figure varies with the maximum frequency transmitted and with the absolute diameters of the conductors. Similarly when approaching repeaters 71, it may be desirable to use a section 83 of reduced diameter.
The immunity offered by coaxial conductors to variations in atmospheric conditions, and to interference from external electric fields can be used successfully. The shunt conductance of open circuit lines varies. between wide limits as atmospheric conditions change the effectiveness of the insulation between conductors. As a result, the devices associated with the repeaters for limiting the level of received signals and for controlling the gain of the repeaters must operate across a corresponding wide row, and the full repeater efficiency can be achieved only under maximum conditions. The noise level in an open circuit line, due to atmespheric disturbances, is also considerable and more important from the point of view of operating efficiency.
A high ratio of signaling level to noise level can be maintained, which would not be the case otherwise. Figure 3, comparing the effects of cross-talk in open circuits, in ordinary circuits by cables, and in circuits with coaxial conductors, shows how effectively these latter circuits are protected from interference. The cross-talk in the case of the first two kinds of circuits increases strongly with the increase in frequency. In the coaxial conductor, it decreases and even for fifteen thousand cycles per second: it is so small that it can be neglected. It is less important than the inherent noise in the amplifier elements of repeaters and the resistance noise in the conductors.
With the reduced level at which the cignals can be attenuated, and determined by a relatively fixed noise level rather than a widely varying level as occurs in open circuit systems, it is possible to d '' use the total gain of the repeater more precisely at all times
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is lying. The conductors themselves can be scaled so that the signals are attenuated between repeaters to this limit, the need for path attenuation being in some cases eliminated and the conditions of the gain controlling devices greatly reduced.
As previously stated, repeaters can be installed in a coaxial conductor line at intervals of perhaps
80 km, 11 would be desirable, for the sake of uniformity and economy, that each repeater section be identical to each other in length, in diameter; in attenuation, etc ..., the devices provided for in each section operating at their greatest capacities. Another consideration must be considered, however, that is, it is preferable that repeaters be housed at existing telephone repeater offices in towns where monitoring is possible by expert persons, and where the repeater can be associated or combined with local modulators and demodulators, or other similar devices.
Between some points such as 72 and 73 fig. 2, a standard repeater spacing of maybe
80 Kms, can be obtained. At another point located at 80 Kms. there may be no telephone repeater station and it is necessary that the repeater 72 be placed only 50 km away. from the previous repeater 71. It may also be necessary to transmit at 130 km. between repeater points as in the case of section 88 between repeaters 74 and 75. These unequal spacings between repeater stations would, if a uniform conductor be used, cause large differences in the level of the signals arriving at the stations. various repeaters.
These differences in level can be corrected in ordinary practice by inserting attenuation paths, for example at a point just before the repeater 72 at the terminus of the short repeater section 84, and this in order to reduce to one point. standard input level signals applied to the amplifier. In the long repeater section 88, a larger power standard repeater can be used at 74. In both cases an automatic gain control, which can be used in conjunction with each repeater, with or without the attenuator path mentioned, in order to maintain the input level to each repeater at a suitable level.
The use of attenuation paths, which has been common practice in the case of open circuit lines, is in some sense a waste of energy. On the other hand the transmission efficiency of the line is more
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larger than necessary and greater attenuation can be tolerated.
In accordance with the present invention, the proportions of the concentric conductors vary to compensate for the asymmetry in the repeating sections. Equation (6) shows that for a given ratio between the inner diameter of the outer conductor and the outer diameter of the center conductor, the attenuation of the coaxial line varies directly with the size of the outer conductor. Given any two points between which a predetermined attenuation is allowed, a coaxial conductor of such a diameter can be chosen so that it introduces just the desired attenuation. Between repeater points there is for example a maximum value for the total attenuation determined mainly by the cost and energy consumption of the repeaters.
It was found that five decibels was the maximum one. The elimination of attenuation paths is not the only advantage resulting from the fact that the conductors are proportioned to the attenuation allowed between the points it must connect. The saving in conductive material achieved by reducing the diameters, where a higher attenuation ratio can be tolerated, is of much greater significance. This is appreciable when the cost of the conductors is approximately three quarters of the cost of the system.
We have seen that the diameters of the conductors can change at will, provided that the same ratio between these diameters is maintained. A section 86 of the conductor between the repeater points 73 and 74 for example may be of limited diameter, the following section 87 being of large diameter. Even in this case the diameter of the conductor 87 can be chosen so that the total permissible attenuation between the repeaters 73 and 74 is precisely obtained. Likewise, conductor 82 does not need to be larger than necessary for the total attenuation in sections 81, 82 and 83 to be just equal to the allowable value.
For the 50 km repeater section 84, the diameter of the outer conductor can be reduced to 75 mm, the size used in the 80 km section 85 can be reduced to three-fifths of this value or about 50 mm. The central conductor is reduced in proportion. Likewise in the 130 km section. an outer conductor of about $ 7 5 mm in diameter instead of 75 mm. can be used..
Although the length of the repeater section is an important factor in determining the diameter of conductors, the transmitted row of
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frequencies is not reduced. As equation (6) shows, the attenuation varies approximately with the square root of the frequency. For this reason, it is the attenuation of the highest transmitted frequency that is considered. If the upper frequency bands are removed as per derived line 93, the next section 88 may be designated relative to the new higher frequency. The relationship between the various factors entering into a particular system is shown below for the tubular form. In the first column are indicated in inches (25.4 mms) the internal diameters of the external conductors.
In the second column are mentioned the number of miles (1609.5 ms) between the repeaters. In the third column are the frequencies transmitted in Kilocycles per second. In the fourth column are marked the numbers of planned paths acted. health in one direction.
EMI15.1
<tb>
Diameters <SEP> of <SEP> Spacing <SEP> of <SEP> Frequencies <SEP> Number <SEP> of
<tb>
<tb>
<tb> conductors <SEP> repeaters <SEP> Maxima <SEP> paths
<tb>
<tb> exteriors.
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3 <SEP> in. <SEP> 100 <SEP> mi <SEP> 1100 <SEP> kc / s <SEP> 250
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<tb> 3 <SEP> "<SEP> 50 <SEP>" <SEP> 4500 <SEP> "<SEP> 900
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<tb> 2 <SEP> "<SEP> 100 <SEP>" <SEP> 450 <SEP> "<SEP> 110
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<tb> 2 <SEP> "<SEP> 50 <SEP>" <SEP> 1700 <SEP> "<SEP> 340
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<tb> 2 <SEP> "<SEP> 25 <SEP>" <SEP> 7300 <SEP> "<SEP> 1450
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<tb> 1 <SEP> "<SEP> 50 <SEP>" <SEP> 500 <SEP> "<SEP> 120
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<tb> 1 <SEP> "<SEP> 25 <SEP>" <SEP> 2000 <SEP> "<SEP> 400
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<tb> 1/2 <SEP> "<SEP> 25 <SEP>" <SEP> 500 <SEP> "<SEP> 120
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<tb> 1/4 <SEP> "<SEP> 25 <SEP>" <SEP> 140 <SEP> "<SEP> 30
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Immediately after the on-line repeater 73 is a tributary transmission line 108.
The latter transmits signals from the second stage modulator 105, which in turn is fed by a local first stage modulator 103 and a similar modulator 101 located in the neighboring district 53. The signals thus transmitted to the line main occupy a band of frequencies higher than the highest frequency of the signals transmitted by the amplifier 73, or a band which has been left vacant for them or which was originally reserved. The bandpass filter 106 allows only these bands to pass. A line 93 is connected to the main line just before the neighboring repeater station 74 is reached. The filter 91 opposes all the currents except those chosen for this connection.
At 94 is shown a short section of small diameter, as may be the case when crossing a river or a street in a town which is on the way to the transmission line.
<Desc / Clms Page number 16>
Looking again at the main line, one can see at the end of the long section 88 a first stage amplifier 75 and demodulator 58. Different groups of paths can immediately after be fully; demodulated in devices 59, and the resulting telephone frequencies are transmitted to the local system. Another group can be transmitted at carrier frequencies through line 60 to demodulator 57 for possible connection with telephone office 100.
It should be noted that the particular values given here, as well as the frequencies mentioned, are by way of example. The principles set out for conductor proportionality can be applied to coaxial conductor systems generally with the low restriction as to diameters, frequencies, repeaters spacing, and the particular type of line chosen, if There is a single coaxial pair, multi-conductor cable, or other equivalent arrangements.
CLAIMS.
1 - In an electrical message transmission system, a transmission line comprises a series of sections having different attenuation constants and amplifiers placed at a series of points on the line, the attenuation constants of said sections being in relation to the lengths of these sections and the maximum frequency to be transmitted between successive amplifiers, so that the attenuation of the line between said amplifiers is practically the same.
2- In an electrical signaling system, a transmission line includes a central conductor path and a return path formed by an outer cylindrical tube, these paths being coaxial with each other and isolated from each other, amplifiers being provided at irregular intervals on said line, but the attenuation between successive amplifiers remaining the same and comprising substantially only the attenuation due to said transmission line.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.