CN103580702B - 讯号发射装置 - Google Patents
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Abstract
一种价钱较低，且耗电量较低的讯号发射装置。讯号发射装置所发射的电波发射讯号采用OOK或FM的调变方式，并将发射讯号加载具有导电壳体（例如各类金属材料及导线和碳纤维复合材料）的装置上，使具有电波性质的发射讯号可于导电壳体的其它部位，由讯号接收装置进行发射讯号的撷取。且讯号发射装置利用谐振电路来产生发射讯号，使得发射讯号可以经由导电壳体传输控制讯号、感测讯号等相关数据，以达到利用导电壳体进行讯号传输为目的。而调变方式采用OOK或FM调变方式，将使得本发明的讯号发射装置的电源耗电量比其它的调变方式电源功耗更为降低。
Description
技术领域
本发明关于一种讯号发射装置，特别是关于一种运用导电壳体进行讯号传输的装置。
背景技术
日前，由于能源危机与健康风潮的交互作用下，自行车产业成为当红的热门产业之一。于是，各式各样的自行车不断地被开发，其周边的配件也同时成为各家厂商竞相开发的目标。
然而，自行车的安全性，成为自行车成为替代交通工具后的必然需求。而为了增加自行车的安全性，各项额外的配备，也就逐渐地被开发出来。例如中国台湾新型专利第M328996号专利《交通工具的警示系统》，其运用了Zigbee技术，运用在自行车的警示系统上，以能方便地进行警示系统的安装。其缺点在于，采用Zigbee的装置，价格昂贵，不易为消费者所接受。而最简易的警示系统，即为采用传统的传输线来进行警示讯号的控制，但采用有线的方式传输，会使得自行车的复杂度增加，不易被大众所接受。
对于整个通讯系统的架构而言，请参考图1，通讯架构10包含：讯号发射装置20、本地振荡器30、通讯通道40与讯号接收装置50。通讯系统中若要将此输入数据inp转换成模拟的电波讯号时，必须先将此输入讯号经由讯号发射装置20而产生具有电波性的发射讯号X，并传送至通讯通道40中，而通讯通道40就是传送端与接收端间的媒介，一般通讯通道有可以有线通道或是无线通道。且经过通讯通道40的发射讯号因为通道的干扰而产生失真，当讯号接收装置撷取失真的接收讯号VR时，讯号接收装置当进行译码而产生输出数据m。若是在自行车为例：即是利用有线或是无线的方式，将讯号透过传输线或是空气，使得传送端的传送数据传输至接收端。
然而，讯号发射装置20中的调变方式最常见为：模拟式与数字式两种类别。调变方式若是模拟式的调变，针对振幅、频率与相位三个特性来加以分类，则可分别为振幅调变AM、频率调变FM与相位调变PM等调变方式。模拟式调变具有一本地振荡器，本地振荡器亦是载波讯号，依据一输入讯号对载波讯号进行调变，若是振幅调变AM，则载波讯号就会依据输入讯号的振幅来加以变化，相同的频率调变FM是改变载波讯号的频率，而相位调变PM是改变载波讯号的相位。
如果信号是连续的，譬如说将声音转换成的模拟信号，所采用的调变方式将会是前面两个大主题所谈到的模拟调变方式。如果信号是数字的，也就是是连续的二进制串行数据，例如110111的数据，调变方式将会不同于模拟式的调变。接着，以下将介绍一些数字讯号的调变方式，请参考图2中的ASK、FSK与PSK的波形器，图中PCM即为输入二进制的数据110111至调变发射。
（1）开/关（On-Offkey，简称OOK）
开关键将0对应到0，1对应到Acos（2πfct），其中A是一个预设的振幅，cos（2πfct）是余弦函数，fc是载波频率。因此，发射端只需要一个震荡器，与一个开关闸。
（2）频率移键（Frequency Shit Key，简称FSK）
二位频率移键将0对应到Acos（2πfct），1对应到Acos（2π(fc＋△f)t），△f是一段频率的间隔，不同的接收方式与信号的频宽都会影响可靠传输的最小频率间隔。
（3）相位移键（Phase Shit Key，简称PSK）
二位相位移键将0对应到Asin（2πfct＋θ），1对应到Asin（2πfct-θ），其中sin（2πfct）是正弦函数，θ是一个预设的相位，当θ为90°与270°时，会有最低的错误率，也称作双相位移键。
然而，自行车上的警示系统或电子装置，目前并非如汽机车般成为标准配备。然而，以往若是采用无线的方式的问题点，即是耗电量的问题，例如：自行车上的警示系统与装置是采用电池，而电池有一定的使用效能若是采用无线的方式来设计讯号发射装置，将使得讯号发射装置上的电池大量的耗电，而使得自行车上的警示系统与装置要常常更换电池，造成使用者的不便。且发射系统若是采用无线的方式，也会造成价格太过昂贵，进而不太普及。于是，如何能够研发一种价钱较低，且耗电量较低的讯号发射装置，将成为自行车上的警示系统或电子装置等配备所努力的方向。
发明内容
鉴于以上先前技术的问题，本发明提供一种运用导电壳体的讯号发射装置来进行电波的传递，且讯号的调变采用OOK或FM的调变方式，以达到可利用导电壳体实时进行OOK或FM讯号传输的目的。
本发明的目的为提供一种讯号发射装置，有别以往无线调变发射装置必须大量的耗电，本发明的架构更能节省讯号发射装置耗电量。
本发明的另一目的为提供一种OOK调变，该调变单元利用频率产生单元的载波频率对输入数据进行调变，以将输入数据调变成数字OOK的数据。
本发明的又一目的为提供一种发射单元，该发射单元利用谐振电路的原理，再将多数个方波转换成多个正弦波，并藉由耦合单元将讯号发射至导电壳体。
本发明的再一目的为提供一种FM调变，该调变单元利用频率产生单元的载波频率对输入数据进行调变，以将输入数据调变成FM的数据。
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数个较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
附图说明
图1为自行车的设计范例图；（先前技术）
图2为通讯讯号调变图；（先前技术）
图3为本发明的讯号发射接收系统的系统；
图4为本发明的讯号发射接收系统的OOK讯号调变图；
图5为本发明的发射单元功能方块图；
图6为本发明的发射单元的谐振电路详细说明图；及
图7为本发明的讯号发射接收系统的FM讯号调变图。
主要组件符号说明
10 自行车车架
20 讯号发射装置
30 本地振荡器
40 通讯通道
50 讯号接收装置
100 讯号发射装置
110 调变单元
120 频率产生单元
130 发射单元
140 第一缓冲器
142 谐振电感器
144 谐振电容器
150 第二缓冲器
180 耦合单元
200 讯号发射接收系统
210 导电壳体
310 耦合单元
300 讯号接收装置
320 谐振单元
330 解调变单元
具体实施方式
本发明的目的即是能够研发一种价钱低，且耗电量低的讯号发射装置，此讯号发射装置可应用以导电壳体作为讯号传输媒介的电子装置上。以自行车为例：发射讯号装置是发射具有电波性质的发射讯号，可应用在具导电成分的自行车车架上。但除自行车外，对于其它具有导电成分的导电壳体，亦可运用本发明而使导电壳体作为传输线，例如LED灯、LED路灯、机车、汽车、家电设备等等具有导电壳体的成分者，均可运用本发明来达到无导线的应用。换句话说，本发明是可运用导电壳体，而使其成为“导线”，因而使本发明成为无导线且非无线传输的特殊技术。其中，导电壳体亦可含有任何金属类的成份，例如金、银、铜等，且具有碳纤维成份的导电壳体亦可适用。
常用的数字调变有OOK、FSK、PSK等调变方式，而本发明为了降低电源的消耗，采用OOK调变方式，将使得讯号发射装置的电源耗电量比其它调变方式的装置，具有更低的电源功耗。由于OOK的调变方式为传送讯号为1时，调变是将1调变为多个正弦波，而传送讯号为0时，调变是将0调变为则不传送任何讯号，藉以节省讯号发射装置的功率。
请参考图3，其为本发明的运用导电壳体来进行传输的讯号发射接收系统200，包含：讯号发射装置100与讯号接收装置320。而本发明的讯号发射装置100，包含：频率产生单元120、调变单元110、发射单元130与耦合单元180。频率产生单元120，用以产生一工作频率。调变单元110，连接于频率产生单元120，用以接收输入数据，并运用工作频率对输入数据进行一开关调变，以产生调变讯号。发射单元130，连接于调变单元110，用以接收调变讯号并进行谐振放大以产生发射讯号。讯号发射装置200中的耦合单元180耦合调变单元110，用以加载发射讯号至导电壳体210。其中，导电壳体210可以是自行导电壳体，亦可为汽车、家电设备等等具有导电壳体210的装置。其中，导电壳体亦可含有任何金属类的成份，例如金、银、铜等，且具有碳纤维成份的导电壳体亦可适用，亦可为一般的电源线。
其中，讯号接收装置320包含：耦合单元310、谐振单元320与解调变单元330。其中，讯号接收装置320中的耦合单元310将讯号发射装置100所产生发射讯号经由导电壳体210接收。谐振单元320耦接耦合单元310，发射讯号透过耦合单元310传送至谐振单元320，此时，谐振单元320将进行谐振滤波而产生谐振讯号，并传送至解调变单元330进行解调变而产生输出数据。
接着，请参考图4，说明本发明OOK调变方式的整个讯号传输过程的波形图。首先，由图4中的调变单元110接收的输入数据inpdata，输入数据inpdata为一连续的二进制序列数，例如：110111的二进制序列数。当调变单元110接收输入数据inpdata后，频率产生单元120连接调变单元110，调变单元110依据频率产生单元120所产生的频率讯号，对输入数据inpdata进行讯号调变而产生调变讯号M。以通讯系统的观念来说明，10111的二进制序例数为基频的数据（baseband data），而频率产生单元120所产生的频率则为载波的频率，当基频的数据相乘载波的频率，则产生调变讯号M，请参考图4中的调变讯号M。
其中，频率产生单元120可采用容感型振荡器（LC oscillator）、电压控制振荡器（Voltage controlled oscillator，简称VCO）、晶振（crystal）等，应用在OOK的调变频率范围可为40k至15MHz之间。
接着，即将所调变讯号M传输至发射单元130进行谐振讯号放大以产生发射讯号。其中，发射单元130为一谐振电路，当调变讯号M输入一方波讯号时，该谐振电路会产生一正弦讯号。亦即，当调变讯号M为多方波讯号时，则该谐振电路会产生多个正弦讯号。接着，再将发射讯号以电波方式传输到耦合单元。其中，耦合单元180与导电壳体210形成电容耦合体，发射讯号以电波方式通过耦合单元180，且经由导电壳体210传递至接收端的耦合单元310为接收讯号VR。此时，由讯号接收装置300中谐振单元320接收的接收讯号VR。而谐振单元320接收的接收讯号VR则是利用谐振原理，将其接收进来为谐振讯号R，所谓的谐振原理亦是带通滤波器，只有当接收讯号VR属于滤波器的频带，谐振单元320才能接收此接收讯号VR。接着解调变单元330将对谐振讯号R进行解调，以还原输入数据。最后，所输出的输出数据outdata即为输入数据inpdata。其中，由于经过导电壳体210的发射讯号会衰减并且会有外界噪声馈入导电壳体。因此，讯号接收装置300中的谐振单元320必须需要设定较好的带通滤波器，以将耦合单元310所传来的发射讯号滤除不必要的噪声。
其中，耦合单元180可以只有一个耦合电容或多个耦合电容，而耦合电容的形成，则可以单片金属片作为电容的一面，将导电壳体210的导电部视为电容的另一面来达成。亦即，耦合电容可以单片金属片，再涂上一层绝缘层，当其接触到导电壳体210时，即形成一电容。此电容即可视为耦合电容。以自行车为例，若要安装于把手时，即可当前述的单片金属片制作为环形的弹性结构，以固定于把手的金属体上。其中，绝缘层亦可为自行车外壳的车身油漆，且加入绝缘层当介质后，并不影响传输的介质。
接着，请参考图5，其说明本发明的发射单元130的功能方块图。其中，发射单元130包含：第一缓冲器140、第二缓冲器150、谐振电容器144与谐振电感器142。第一缓冲器140连接调变单元110，用以接收调变讯号并进行电流驱动而产生第一缓冲讯号。第二缓冲器150连接调变单元110，用以接收调变讯号并进行电流驱动而产生第二缓冲讯号。谐振电容器144，具有电容阻抗，该谐振电容器144的第一端连接该第二缓冲器150。谐振电感器142，具有电感阻抗，谐振电感器142的第一端连接该第一缓冲器140，且谐振电感器142的第二端连接谐振电容器144的第二端。其中，当第一缓冲器140与该第二缓冲器150接收该调变讯号后，由于谐振电容器144的该电容阻抗与该谐振电感器142的电感阻抗形成串联谐振电路，使得该第一缓冲器140产生一电流讯号流向该第二缓冲器150，并于该谐振电容器144的该第二端与该谐振电感器142的该第二端的连接点产生发射讯号。
其中，发射单元130为一串联谐振电路所组成的谐振电路，当调变讯号M输入一方波讯号时，该谐振电路会产生一正弦讯号。其中，由该第一缓冲器140与该第二缓冲器150组合成一推挽放大器，该推挽放大器除消除谐波失真外，更可第一缓冲器140流向第二缓冲器150的电流变高。由于方波讯号送至发射单元130后，第一缓冲器140为正电压Vb1，而第二缓冲器150为负电压Vb2，使得由正电压流向负电压的电流比没有使用正电压与负电压的架构其电流更提高为二倍，藉以加强电流的驱动力。
接着，请参考图6，其说明本发明的发射单元130的谐振电路动作说明图。其中，等效电阻的电阻阻抗Rth是由线路电阻所求得，而谐振电感器142具有一电感阻抗值XL，且谐振电容器144具有一电容阻接值XC。所以电路总阻抗Z等于等效电阻加上谐振电感器142，再加上谐振电容器144。由于电感阻抗值XL有相位差，若以电流为基准，则代表电压领先电流90度相角，所以要乘上正j的符号，相同的电容阻抗值XC也有相位差，若以电流为基准，则代表电压落后电流90度相角，所以要乘上负j的符号，电路总阻抗Z=Rth+jXL-jXC。其中，XL=2∏fL，f为输入方波的频率，而L为电感值，而且f也是输入方波的频率，而C为电容值。
再者，当电路符合谐振电路时，代表XL等于XC，所以Z将等于Rth，此时，第一缓冲器140为正电压Vb1，而第二缓冲器150为负电压Vb2，其中，正电压Vb1与负电压Vb2的大小相同，且电压相反。其等效电压Vth等于正电压Vb1减去负电压Vb2，使得Vth=2Vb1。此时，等效电流Ith为等效电压Vth除与Rth，亦即公式为Ith=Vth/Z将得到最大电流。且由于电路为谐振电路，将使得发射单元130的输出端量测发射讯号X输出正半周的弦波，而当电流停止后则又产生负半周的弦波，所以当输入一次方波讯号至发射单元130，而发射单元130输出的发射讯号就会产生一次完整的弦波，而输入多个方波讯号，就会产生多个正弦波。
其中，由于发射单元130的输出端所量测的发射讯号X的大小与电路的质量因子有关，质量因子的定义为熟悉电路学的人士所熟悉的先前技术有关，在此不加以赘述。所以谐振电容器144两端的电压V等于质量因子乘上等效电压（Vc=Q*Vth）。亦即，谐振电容器144一端的电压为对地的端点，即为发射单元130的输出端，而所产生的讯号大小亦为发射讯号X的大小。由图4中，可以明显的看出，当调变讯号M输入连续的方波讯号至发射单元130时，由发射单元130的输出端量测发射讯号X的大小可由图4中的发射讯号X得知讯号被放大。此一发射讯号X为具有电波性质的正弦波，可经由耦合单元将此电波性质的正弦波以一辐射方式传递导电壳体。请注意，此电波性质的正弦波不具有驱动负载的能力，不能直接驱动负载，而是透过耦合单元180以辐射方式传递导电壳体。
接着下列将说明本发明的谐振频率与频宽的意义，其中，谐振频率L代表谐振电感器142的电感值，而C代表谐振电感器142的电容值。本发明的发射单元130的频宽等于谐振频率除于质量因子而发射讯号的载波频率在本发明中的OOK的载波频率为40kHz至15MHz之间，也就是说载波频率不会超过谐振频率的频率。其中，载波频率是依据频率产生单元120所产生的工作频率，亦即，工作频率为40kHz至500kHz之间。
再者，本发明的架构，亦可适用FM的调变系统。接着，请参考图7，说明本发明采用FM调变方式的整个讯号传输过程的波形图。首先，将图7中的输入数据输入至调变单元110，且输入数据inpdata为一连续的二进制序列数，例如：110111的二进制序列数。当调变单元110接收输入数据inpdata后，频率产生单元120连接调变单元110，调变单元110依据频率产生单元120所产生的频率讯号，对输入数据inpdata进行讯号调变而产生调变讯号M。且FM的调变系统来说，而采用FM调变的方式，当传送1数据时，发射出f1的载波电波，而传送0数据时，发射出f2的载波电波，而频率产生单元120亦为调整不同的载波频率。其中，频率产生单元120可采电压控制振荡器（Voltage controlled oscillator，简称VCO）、晶振（crystal）等，应用FM的调变频率范围可为400k至15MHz之间。
接着，即将所调变讯号M传输至发射单元130进行谐振讯号放大以产生发射讯号。其中，发射单元130为一谐振电路，当调变讯号M输入不同的方波讯号时，该谐振电路亦会产生不同的正弦讯号。亦即，当调变讯号M为不同的方波讯号时，则该谐振电路会产生不同的正弦讯号。接着，再将发射讯号以电波方式传输到耦合单元。其中，耦合单元180与导电壳体210形成电容耦合体，发射讯号以电波方式通过耦合单元180，且经由导电壳体210传递至接收端的耦合单元310为接收讯号VR。此时，由讯号接收装置300中谐振单元320接收的接收讯号VR。而谐振单元320接收的接收讯号VR则是利用谐振原理，将其接收进来为谐振讯号R，所谓的谐振原理亦是带通滤波器，只有当接收讯号VR属于滤波器的频带，谐振单元320才能接收此接收讯号VR。接着解调变单元330将对谐振讯号R进行FM解调变，以还原输入数据。最后，所输出的输出数据outdata即为输入数据inpdata。其中，由于经过导电壳体210的发射讯号会衰减并且会有外界噪声馈入导电壳体。因此，讯号接收装置300中的谐振单元320必须需要设定较好的带通滤波器，以将耦合单元310所传来的发射讯号滤除不必要的噪声。
所以利用本发明确实可以研发出一种价钱较低，且耗电量较低的讯号发射装置。且为使得讯号发射达到极低耗电量较低，本发明利用的调变方式则采用OOK/FM的调变方式，若采用OOK调变的方式，则传送1数据时，只发射出电波，而传送0数据时，可不传送出电波。而采用FM调变的方式，当传送1数据时，发射出f1的载波电波，而传送0数据时，发射出f2的载波电波。所以为了达成OOK或FM的调变方式，本发明在发射单元130中采用R、L、C串联谐振的方式设计发射电路。所以采用在本发明确实可以降低成本，以及让讯号发射装置的成本便为降低。
虽然本发明的较佳实施例揭露如上所述，然其并非用以限定本发明，任何熟习相关技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (5)
1.一种讯号发射装置，运用于一导电壳体，其特征在于，该装置包含：
一频率产生单元，产生一工作频率；
一调变单元，连接于该频率产生单元，接收一输入数据，并运用该工作频率对该输入数据进行调变，以产生一调变讯号；
一发射单元，连接于该调变单元，接收该调变讯号并进行谐振放大以产生一发射讯号，该发射单元包含：
一第一缓冲器，连接该调变单元，接收该调变讯号并进行电流驱动而产生一第一缓冲讯号；
一第二缓冲器，连接该调变单元，接收该调变讯号并进行电流驱动而产生一第二缓冲讯号；
一谐振电容器，具有一电容阻抗，该谐振电容器的一第一端连接该第二缓冲器；及
一谐振电感器，具有一电感阻抗，该谐振电感器的一第一端连接该第一缓冲器，且该谐振电感器的一第二端连接该谐振电容器的一第二端与一耦合单元；
其中，当该第一缓冲器与该第二缓冲器接收该调变讯号后，由该谐振电容器的该电容阻抗与该谐振电感器的该电感阻抗形成串联谐振电路，使得该第一缓冲器的该第一缓冲讯号的电流流向该第二缓冲器的该第二缓冲讯号，并于该谐振电容器的该第二端与该谐振电感器的该第二端产生该发射讯号至一耦合单元；
其中，该发射单元具有一等效阻抗，该等效阻抗、该电容阻抗、该电感阻抗形成串联谐振，当该电容阻抗等于该电感阻抗时，产生该电流讯号流由该第一缓冲器流向该第二缓冲器；及
一耦合单元，耦接该发射单元与该导电壳体，由该发射单元经由该耦合单元加载该发射讯号至该导电壳体。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：当该等效阻抗、该电容阻抗与该电感阻抗形成串联谐振而产生一质量因子，该发射讯号的电压值为该质量因子乘上该调变讯号的电压。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：该第一缓冲器与该第二缓冲器组合成一推挽放大器，以增加该发射讯号输出强度。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：该调变单元是以一频率调变或一开关调变方式进行讯号调变。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：该工作频率的范围为40kHz至15MHz之间。
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