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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektrische Verbinder und spezieller
solche Verbinder, die zur Reduzierung von Nebensprechen zwischen
benachbarten Aderpaaren, welche unterschiedliche Kommunikationspfade
umfassen, gestaltet sind.
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Hintergrund der Erfindung
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Das
Aufkommen und die nachfolgende Entwicklung von optischen Kommunikationssystemen, bei
welchen hohe Übertragungsgeschwindigkeiten und
-frequenzen zur Anwendung kommen, zeichnet für eine verstärkte Entwicklung
elektrischer Systeme verantwortlich, die in der Lage sind, bei viel
höheren Frequenzen
als zuvor zu arbeiten. Insofern, als zumindest gegenwärtig immer
noch eine Prädominanz elektrischer
Systeme besteht, müssen
solche Systeme, um wettbewerbsfähig
zu sein, mit den höheren Frequenzen
arbeiten, zu denen optische Systeme in der Lage sind.
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In
einem elektrischen Kommunikationssystem ist es bisweilen vorteilhaft,
Informationen (Video, Audio, Daten) in Form von symmetrischen Signalen über ein
Paar von Adern (nachfolgend "Aderpaar") anstatt über eine
einzelne Ader zu übertragen,
wobei das übertragene
Signal die Spannungsdifferenz zwischen den Adern umfasst, ungeachtet
der vorhandenen absoluten Spannungen. Jede Ader in einem Aderpaar
kann elektrisches Rauschen von solchen Quellen wie etwa Beleuchtung,
Autozündkerzen
und Radiogeräten
aufnehmen, um nur einige zu nennen. Eine Symmetrie wird durch Impedanz-Symmetrie in einem
Aderpaar bewirkt, wie zwischen einzelnen Leitern und Masse. Wenn
die Impedanz zu Masse für
einen Leiter anders als die Impedanz zu Masse für den anderen Leiter ist, dann
werden (longitudinale) Gleichtakt-Signale ungewollt in (transversale)
Gegentakt-Signale umgewandelt und umgekehrt. Zudem stellt die Rückflussdämpfung eine
Reflexion des eingehenden Signals dar und tritt auf, wenn die Abschlussimpedanz
nicht auf die Quellenimpedanz angepasst ist. Größere Sorgen jedoch macht das
elektrische Rauschen, das von nahe liegenden Adern aufgenommen wird,
welche sich über
lange Strecken hin in die gleiche allgemeine Richtung erstrecken können. Dies
wird als Nebensprechen bezeichnet, und solange zu jeder Ader in
dem Aderpaar das gleiche Rauschsignal hinzukommt, wird die Spannungsdifferenz
zwischen den Adern die gleiche bleiben. In allen vorstehenden Fällen sind
unerwünschte
Signale auf den elektrischen Leitern vorhanden, welche das Informationssignal
stören
können.
Bestehende Mechanismen zur Kompensation von Nebensprechen in Verbindern
für benachbarte
Paare von Leitern sind derart gestaltet, dass sie Gegentakt-Nebensprechen
auf einem inaktiven Paar, das induziert wird, d. h. von einem in
der Nähe
befindlichen signalführenden
Paar eingekoppelt wird, kompensieren. Die meisten solcher Mechanismen
ermöglichen
jedoch keine Kompensation für
das Gegentakt-zu-Gleichtakt-Nebensprechen
zwischen dem signalführenden
Paar und dem ungenutzten Paar. Bei Nichtvorhandensein einer Kompensation
für diese letztere
Form von Nebensprechen wird ein unsymmetrisches Signal in dem benachbarten
Paar induziert. Also ist es, um eine Symmetrie zu erreichen, wünschenswert,
nicht nur das Gegentakt-Nebensprechen zu kompensieren, das durch
ein Gegentakt-Eingangssignal bewirkt wird, sondern auch das Gleichtakt-Nebensprechen
zu kompensieren, das durch ein Gegentakt-Eingangssignal bewirkt
wird, sowie das Gegentakt-Nebensprechen,
welches durch ein Gleichtakt-Signal bewirkt wird. In US-Patent 5,967,853
von Hashim ist eine Kompensationsanordnung gezeigt, welche Kondensatoren
zwischen unterschiedlichen Paaren von Leitern nutzt, die sowohl
eine Gegentakt-zu-Gegentakt-Nebensprechkopplung als auch eine Gegentakt-zu-Gleichtakt-Kopplung
ausgleichen. Die Kondensatoren sind im Allgemeinen in einer gedruckten
Verdrahtungsplatine gestaltet, die mit dem Verbinder verbunden ist, und
für diese
werden sorgfältig
derartige Werte gewählt,
dass der gewünschte
Betrag an Kompensation (oder Kopplung) zwischen diskreten Paaren
erzeugt wird. In jeder solchen Kompensationsanordnung erfordern
die Gestaltungsverfahren ein gutes Urteil und sind nur anwendbar,
um ein bestimmtes Niveau an Symmetrieverhalten für die spezifischen Parameter der
Signalübertragung
zu erzielen.
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In
US-Patent 5,186,647 von Denkmann et al. und 5,997,358 von Adriaenssens
et al. sind Verbinder aufgezeigt, bei denen ein kompensierendes
Nebensprechen eingebracht wird, und zwar durch Einrichten von Stufen,
in welchen vorgegebene Beträge
und Phasen kompensierenden Nebensprechens erzeugt werden. Die Stufen
werden durch Überkreuzungen bestimmter
Leiter in dem Verbinder oder durch geeignet angeordnete Kondensatoren
erzeugt. Beide Patente offenbaren eine Kompensation von Gegentakt-Nebensprechen,
sie wenden sich aber nicht dem Gegentakt-zu-Gleichtakt-Nebensprechen
zu, wie es bei dem Patent von Hashim der Fall ist.
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In
WO 99/53574 ist ein das Nebensprechen reduzierender elektrischer
Buchsen- und Steckerverbinder entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1
gezeigt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein
elektrischer Verbinder entsprechend Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Anordnung für die Leiter
in einem Verbinder dar, welche vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, Überkreuzungsverfahren
nutzt, die in den Patenten von Denkmann et al. und Adriaenssens
et al. offenbart sind, wobei n Kompensationsstufen vorhanden sind, wobei
n ≥ 3 ist,
und sie basiert auf dem Algorithmus (a – b)n (1).
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Wenn
der Algorithmus für
einen beliebigen Wert für
n von drei (3) oder mehr aufgelöst
wird, geben die Koeffizienten der einzelnen Terme die Amplituden
der Nebensprech-Komponenten
an, wovon die erste das ursprüngliche
Nebensprechen ist und der Rest eine Kompensation in jeder der verschiedenen Kompensationsstufen
darstellt. Somit lauten für (a – b)3 =
a3 – 3a2b + 3ab2 – b3 (2)die
Koeffizienten +1, –3,
+3, –1.
Wie in der im Patent von Adriaenssens et al. angegebenen Analyse
ausgeführt
ist, ist mehr als eine Stufe notwendig, um die Phasendifferenzen
des erzeugten Nebensprechens und des kompensierenden Nebensprechens
zu kompensieren. Der Algorithmus ist anwendbar auf Werte für n von
drei (3) oder mehr und somit auf drei oder mehr Stufen, und die
Koeffizienten der Terme bestimmen die Absolutwerte und Vorzeichen
der Kompensation, während
der Exponent n die Anzahl der Stufen bestimmt. Je größer der
Wert für
n ist, desto mehr Stufen und eine desto bessere Kompensation ergeben
sich. Es gibt jedoch praktische Grenzen für den Wert von n ≥ 3, wie nachfolgend
deutlich werden wird.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform der
Erfindung sind bei einem Verbinder, der acht Leiter aufweist, welche
vier Paare I, II, III und IV bilden, die Leiter im Hinblick auf
eine optimale Nebensprech-Kompensation das erste und das dritte
Paar, I und III, betreffend konfiguriert, welche, wie später deutlich
werden wird, die wichtigsten sind, da während einer normalen Verwendung
des Verbinders diese das stärkste
Nebensprechen zeigen. Nebensprechen zwischen den Paaren II–III und
III–IV
ist ebenfalls wesentlich. Gemäß dem Algorithmus
(1) und für
n = 3 weist das Paar II (Leiter 1 und 2) zwei Überkreuzungen der beispielsweise
in dem Patent von Denkmann et al. gezeigten Art auf, ebenso wie die
Paare I (Leiter 4 und 5) und IV (Leiter 7 und 8). Das Paar III (Leiter
3 und 6) weist eine Überkreuzung auf,
was in Zusammenwirkung mit den Paaren I, II und IV eine Summe von
drei Stufen wie durch den Algorithmus (1) für n = 3 diktiert ergibt, sowie
die Amplituden für
kompensierendes Nebensprechen in den verschiedenen Stufen, konform
den Koeffizientenwerten des Algorithmus (1) und den Polaritäten.
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Wie
anhand der nachstehenden detaillierten Diskussion deutlicher werden
wird, sind in dem Verbinder drei Stufen von Gegentakt-Kopplung zwischen
den Paaren I und III, II und III sowie III und IV vorhanden, wobei
alle diese Kopplungen im Endergebnis Vektorsummen für eine optimale
Phase erzeugen, wie in dem Patent von Adriaenssens et al. diskutiert
ist, sowie Größen für die Kompensation
zur Minimierung des Nebensprechens.
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Die
erfindungsgemäßen Prinzipien,
welche den Algorithmus (1) beinhalten, sind auf andere Verbinderanordnungen
anwendbar, wie später
diskutiert wird, sowie auf andere mögliche Konfigurationen, bei denen
Nebensprechen zwischen Paaren von Leitern Probleme bereitet.
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Die
Prinzipien und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand
der folgenden detaillierten Beschreibung, in Verbindung mit den
begleitenden Zeichnungen gelesen, leichter verständlich werden.
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Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht der Verwendung eines modularen Verbinders
zum Verbinden von Hochgeschwindigkeits-Gerätehardware mit einem elektrischen
Kommunikationskabel;
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2 zeigt
die Buchsenkontakt-Verdrahtungsanordnungen für eine Telekommunikationssteckdose
(T568B) mit acht (8) Positionen, von vorn betrachtet;
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3 stellt
eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines elektrischen
Hochfrequenzverbinders der bei der vorliegenden Erfindung genutzten
Art dar;
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4 stellt
eine Aufsicht der Leiterrahmen einer Leiterkonfiguration nach dem
Stand der Technik dar, wie sie in einem Verbinder der in 3 gezeigten
Art genutzt wird;
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5 ist
ein Diagramm einer Verdrahtungskonfiguration für Gegentakt-zu-Gegentakt-Nebensprechkompensation;
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6 ist
ein Diagramm einer Verdrahtungskonfiguration für Gegentakt-zu-Gleichtakt-Nebensprechkompensation;
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7 ist
ein Diagramm einer ersten Konfiguration einer Verbinderanordnung
entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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8 ist
eine Tabelle, welche die Nebensprechkompensation für die Leiteranordnung
aus 7 darstellt;
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9 ist
ein Diagramm einer zweiten Konfiguration einer Verbinderanordnung
entsprechend der vorliegenden Erfindung; und
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10 ist
eine Tabelle, welche die Nebensprechkompensation für die Leiteranordnung
aus 9 darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
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1 offenbart
eine Verbindung zwischen Hardware 11 eines Hochgeschwindigkeitsgerätes und
einem Kabel 12 mit zum Beispiel acht Adern, welche vier
Aderpaare bilden. Die Verbindung zwischen der Hardware 11 und
dem Kabel 12 ist unter Verwendung eines Standardanschlusses 13 realisiert,
welcher einen Buchsenrahmen 14, einen Verbinder 16,
eine Wandplatte 17 sowie einen modularen Stecker 18 umfasst,
welcher über
das Kabel 19 elektrische Signale zu und von der Hardware 11 überträgt. Die
Wandplatte 17 dient als Montageelement für den Rahmen 14 und
den Verbinder 16, in welchen der Stecker 18 durch
die Öffnung 21 hindurch,
welche in verriegelter Stellung den Rahmen 14 enthält, eingefügt werden
kann.
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Anschlussverdrahtungsanordnungen
für Stecker 18 und
den Buchsenrahmen 14 sind in den kommerziellen Telekommunikationsverdrahtungsstandards
für Gebäude spezifiziert
und sind in 2 gezeigt. Wie in 2 zu
sehen ist, umfassen die Adern 1 und 2 das Aderpaar II, die Adern
4 und 5 umfassen das Aderpaar I, die Adern 3 und 6 umfassen das
Aderpaar III und die Adern 7 und 8 umfassen das Aderpaar IV. Dieser
Standard für
Verdrahtungszuordnungen führt
zu Problemen bei höheren
Frequenzen. Man berücksichtige,
dass das Aderpaar III das Aderpaar I überspannt, wenn man in die Öffnung 22 des Buchsenrahmens 14 hineinschaut.
Wenn der Buchsenrahmen 14 und der Verbinder 16 elektrische
Pfade enthalten, die parallel zueinander und in etwa der gleichen
Ebene liegen, wird Nebensprechen zwischen den Paaren I und III vorhanden
sein, welches sich mit steigender Frequenz verstärkt, was bei Frequenzen oberhalb
von 1 MHz inakzeptabel ist.
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In 3 ist
eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines elektrischen
Hochfrequenzverbinders 16 und eines Buchsenrahmens 14 gezeigt.
Der Verbinder 16 umfasst einen Federblock 23,
Leiterrahmen 24 und 26 sowie eine Abdeckung 27.
Die Leiterrahmen 24 und 26 umfassen vier flache, längliche,
leitfähige
Elemente 28 bzw. 29, welche an einem Ende in Schneidklemmanschlüssen 31 enden. Die
Oberseite des Federblocks 23 weist eine Reihe von Nuten 32 auf,
welche dazu konfiguriert sind, die Leiterrahmen 24 und 26 in
dem in 4 gezeigten Muster zu halten, wobei die metallischen
Leiter, welche die Paare I, II und IV bilden, jeweils eine einzige kontaktlose Überkreuzung
in dem Bereich X aufweisen. Dies ist die Leiterkonfiguration, wie
sie in dem Patent von Denkmann et al. gezeigt ist.
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Beim
Einbau werden die Schneidklemmanschlüsse 31 über die
Wände 33 des
Blocks 23 umgeklappt, wobei die in diesem vorgesehenen
Schlitze mit den Leiteraufnahmeschlitzen 34 zusammenfallen.
Die anderen Enden der Leiter 28 und 29 werden im
Bereich X' um die
Nase 36 des Federblocks 23 herum gebogen, um die
Federkontakte in dem modularen Buchsenrahmen 14 auszubilden,
in welchen der Federblock 23 eingefügt wird, nachdem an diesem die
Abdeckung 27 angebracht worden ist.
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Wie
im Vorstehenden ausgeführt
wurde, gab es und gibt es verschiedene Anordnungen von Leitern zum
Reduzieren von Nebensprechen. Der größte Teil dieser Anordnungen
basiert auf empirischen Erkenntnissen und unterscheidet sich für unterschiedliche
Frequenzbereiche und auch untereinander.
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Der
Rest der vorliegenden Erörterung
ist auf die Prinzipien der vorliegenden Erfindung und deren Anwendung
auf beispielsweise einen Verbinder der in den 3 und 4 gezeigten
Art ausgerichtet, wobei der allgemeine Unterschied dieser in der
Anordnung der Leiter der verschiedenen Aderpaare liegt. Es sollte
jedoch verstanden werden, dass diese Prinzipien auch auf andere
Verbinderkonfigurationen und auf andere Nebensprechen erzeugende
Geräte anwendbar
sind, wenn gewünscht
wird, das Nebensprechen und die schädlichen Auswirkungen desselben
wesentlich zu reduzieren.
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5 zeigt
jeweils eine dreistufige Gegentakt-zu-Gegentakt-Kompensationsanordnung für die Aderpaare
A und B. Nebensprechen wird zwischen den Paaren A und B im Abschnitt
X des Paares A erzeugt. Zum leichteren Verständnis ist dieses mit einer Größe von +1
Einheiten bezeichnet. Die drei Kompensationsstufen sind mit Y1, Y2 und Y3 bezeichnet und weisen Größen von
kompensierendem Nebensprechen in den Stufen entsprechend –3 Einheiten, +3
Einheiten und –1
Einheit auf. Diese Werte entsprechen zusammen mit dem Wert +1 des
Abschnitts X den Koeffizienten der Terme des Algorithmus (1) für n = 3
und das Endergebnis ist eine Gegentakt-zu-Gegentakt-Nebensprechkompensation für die Paare
A und B. In 6 ist für die Paare C und D eine Anordnung
von Überkreuzungen
gezeigt, bei der eine Gegentakt-zu-Gleichtakt- oder Gleichtakt-zu-Gegentakt-Nebensprechkompensation
vorhanden ist, ungeachtet dessen, ob das Signal in Paar C oder Paar
D eingespeist wird. Es ist jedoch keine Gegentaktzu-Gegentakt-Kompensation
vorhanden.
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7 stellt
ein Diagramm der Wegeleitung der Leiter in einem Verbinder der in 3 gezeigten Art
zum Kompensieren von Gegentakt-zu-Gegentakt-Nebensprechen und von
Gegentaktzu-Gleichtakt- oder Gleichtakt-zu-Gegentakt-Nebensprechen dar.
Die acht Leiter sind mit 1 bis 8 nummeriert, und die Ausrichtung
der Paare I, II, III und IV entspricht, wie in 2 gezeigt,
dem Standardprotokoll. Wie aus 7 zu ersehen
ist, weisen die Paare I und III ein Kompensationssystem gemäß dem offenbarten
Algorithmus auf, wobei n = 3 ist. Unten in der Zeichnung angefangen,
steht der Abschnitt zwischen der Unterkante und der ersten Überkreuzung 41 in
dem Paar I für
das anfängliche
Nebensprechen X. Der Abschnitt zwischen der ersten Überkreuzung 41 in
Paar I und der Überkreuzung 43 in
Paar III ist drei Einheiten lang, was die erste Kompensationsstufe
von –3 Einheiten
ergibt. Der Abschnitt zwischen der Überkreuzung 43 in
Paar III und der zweiten Überkreuzung 42 in
Paar I ist ebenfalls drei Einheiten lang, was die zweite Kompensationsstufe
+3 ergibt. Der Abschnitt zwischen der zweiten Überkreuzung 42 in Paar
I und der Oberseite des Diagramms ist eine Einheit lang, was die
letzte Kompensationsstufe mit dem Wert –1 ergibt. Zwischen den Paaren
II und III sowie zwischen den Paaren IV und III ist die gleiche
Kompensationsanordnung vorhanden. Die Paare I und II, die Paare
I und IV sowie die Paare II und IV weisen bei dieser Anordnung keine
Gegentakt-zu-Gegentakt-Kompensation
auf. Somit wird das problematischste Gegentaktpaar mittels einer
dreistufigen Kompensation kompensiert. 8 stellt
eine Tabelle dar, welche diesen Effekt zeigt.
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Eine
Kopplung von dem Gegentakt eines ersten Paares in den Gleichtakt
eines zweiten Paares ist reziprok zu einer Kopplung von dem Gleichtakt des
zweiten Paares in den Gegentakt des ersten Paares, wobei sie sich
nur durch ein Verhältnis
bezogen auf Abschlussimpedanzen unterscheidet, somit ist es lediglich
notwendig, eine Gegentakteinkopplung zu berücksichtigen, um alle notwendigen
Informationen zu erfassen. Beim Gleichtakt-Ansprechen sind Überkreuzungen
an dem empfangenden Paar irrelevant, somit berücksichtigt man nur Überkreuzungen
an dem Einkoppelpaar, also teilen die Stellen, an denen Überkreuzungen
auf dem Einkoppelpaar vorhanden sind, die Segmente in Strecken mit
einem Verhältnis
von Koeffizienten des entwickelten Algorithmus (1). Bei der (auch
als Leiterrahmen bekannten) Leiterkonfiguration aus 7 wird
das Paar III als das Einkoppelpaar betrachtet und weist eine Kompensationsstufe
(n = 1) auf, welche effektiv das Gleichtakt-Nebensprechen kompensiert.
Somit ermöglicht
die Überkreuzung 43 eine
dreistufige Gegentakt-zu-Gegentakt(DM?DM)-Kompensation
(n = 3) und eine einstufige Gegentakt-zu-Gleichtakt(DM?CM)- oder
Gleichtakt-zu-Gegentakt-Kompensation.
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9 stellt
ein Diagramm für
die Wegeleitung der Leiter bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung dar, und 10 ist eine Tabelle, welche
die Nebensprecheffekte auf die verschiedenen Paare in der Anordnung
aus 9 zeigt. Wie in 9 zu sehen
ist, weisen die Paare II und IV jeweils zwei Überkreuzungen 41 und 42 auf.
Bei dieser Ausführungsform
weist jedoch das Paar I keine Überkreuzungen
auf. Das Paar III, welches das Paar I überspannt, weist drei Überkreuzungen 44, 46 und 47 auf,
wodurch es drei Kompensationsstufen in Bezug auf das Paar I aufweist.
Folglich ist für
das Gegentakt-zu-Gleichtakt(DM?CM)-Nebensprechen eine
im Wesentlichen vollständige
Kompensation vorhanden, wie in der Tabelle aus 10 zu
sehen ist. Aus der Tabelle in 10 ist
zu ersehen, dass für die
Paare I–III,
II–III
und III–IV
eine wesentliche Kompensation bei der Gegentakt-zu-Gegentakt(DM?DM)-Kompensation
vorhanden ist. Somit ist, wie bei der Anordnung aus 7,
das Paar III derart konfiguriert, dass sich eine Gegentakt-zu-Gegentakt-Kompensation und
eine Gegentakt-zu-Gleichtakt-Kompensation ergibt, um so eine symmetrische
Verbindung herzustellen.
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Die
in den 7 und 9 gezeigten Ausführungsformen
veranschaulichen beide die unter Verwendung des Algorithmus (1)
erzielten Ergebnisse, wenn n = 3 ist. Es sollte verstanden werden,
dass n größere Werte
als 3 aufweisen kann, wodurch mehr Kompensationsstufen erforderlich
sind, und zwar mit Größen, die
durch die Werte der Koeffizienten in den verschiedenen Termen bestimmt
werden, mit folglich einem noch besseren Betrag an Kompensation,
ohne dass vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen
wird.
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Es
sollte verstanden werden, dass die verschiedenen Merkmale der Erfindung
in anderen Arten von Verbindern oder Verbindungen verkörpert sein
können
und dass Fachleuten auf dem Gebiet andere Modifikationen oder Ausbildungen
in den Sinn kommen können.
Alle diese Varianten und Modifikationen sollen hier als im Schutzumfang
der vorliegenden Erfindung, wie er angegeben ist, eingeschlossen betrachtet
werden. Ferner sollen bei den nachfolgenden Ansprüchen die
entsprechenden Strukturen, Materialien, Tätigkeiten und Äquivalente
aller Mittel oder Elemente aus Schritt und Funktion jegliche Struktur, Materialien
oder Tätigkeiten
zur Ausführung
der Funktionen in Kombination mit anderen Elementen, wie sie speziell
beansprucht sind, umfassen.