CN107634584A - 用于数据网络的非接触式传输耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于传输有线数据网络数据的非接触式传输耦合器。为了能够以对传输带宽的低要求获得高数据通量和短等待时间，利用在物理层(位传输层)上传输的数据位来调制传输信号，并将传输信号作为在ISM频带中的无线电信号传输。用于快速以太网信号的全双工操作能够通过组合两个不同的ISM频带实现。

Description

用于数据网络的非接触式传输耦合器

技术领域

本发明涉及一种在实时要求下的非接触式数据传输技术，特别涉及一种与工业以太网协议有关的数据传输技术。提供了用于有线数据网络的数据的双向传输的用于非接触式传输耦合器的发送器和接收器，以及使用组合的发送和接收装置的用于有线数据网络的数据的双向传输的非接触式传输耦合器。

背景技术

使用非接触式耦合器而不是电缆或插头连接本身是已知的，并且可以克服常规电缆或插头连接所伴随的一些机械和电气问题，例如，缺乏灵活性、差的电气可靠性或对环境影响的保护不足。非接触式耦合器通常由发送器和接收器组成，发送器和接收器在短距离内传输传播最广泛的电磁信号。特别地，这里使用光信号、无线电信号或电感耦合。要传输的数据必须首先以电子数据信号的形式被发送器接收、解码并转换成用于耦合的信号。该信号在接收器处被检测并被转换回原始的电气数据信号。这些处理步骤不可避免地与延迟和带宽的限制相关联。

从印刷文献WO 2013/130486 A1，已知有一种用于有线标准接口(例如通用串行总线，USB)的非接触式电磁替换，其中，第一USB设备的电气信号状态被转换为电磁信号，并且经由非接触式连接传输到第二USB设备的接收器。在那里，电磁信号被转换回电气信号，该电气信号在第二USB设备处再现第一USB设备的原始信号状态。如果遵守由标准规定的电气信号的时间和电气要求，则关于第二USB设备，给出了所述第二USB设备直接连接到第一USB设备的印象。

特别是为了能够遵守要传输的电气信号的时间要求，电磁耦合信号需要适当的带宽。因此，上述用于有线标准接口的非接触式替换使用EHF频带(EHF：极高频率)中的无线电信号，即，在30至300GHz的范围内。这种高频率的使用与相关的结构上的复杂一起具有这样的缺点：耦合信号通过各种材料，特别是水蒸气暴露于强抑制。因此，在工业环境中使用的可靠性可能受到损害。

从印刷文献WO 2009/021025 A2已知一种具有双向转换器的非接触式以太网连接。以太网信号的传输借助于电感耦合器在基带中进行。然而，使用电感耦合在高传输速率方面尤其是有问题的。

在用于无线数据传输的现有技术中也已知无线电网络，例如从IEEE-802.11标准系列而已知的WLAN(无线局域网络)。然而，这样的无线电网络由于缺乏传输安全性和高(和不可预测的)等待时间(latency)而不适合在实时要求下使用。

发明内容

因此，本发明的问题是提供一种用于传输有线数据网络的数据的非接触式传输耦合器，其以低等待时间、高传输速率和改进的可靠性为特征。特别地，本发明的问题是提供一种基于工业以太网协议的用于实时要求的非接触式传输耦合器。

该问题由独立权利要求的特征来解决。优选的发展是从属权利要求的主题。

本发明的特定方法是检测有线数据网络的物理层上传输的位序列，以用该位序列调制传输信号并将其作为无线电信号传输。在接收侧，解调无线电信号，重构所述位序列并且产生用于有线数据网络的对应的数据信号。以这种方式，能够以位宽的大小用极其短的等待时间来非接触式地且有效地传输数据。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于传输有线数据网络的数据的非接触式传输耦合器的发送器。所述发送器包括用于接收数据信号的输入和被配置为将接收到的数据信号变换成位序列的变换器，所述位序列表示在数据网络上采用的网络协议的物理层。所述发送器还包括：调制器，所述调制器配置成利用由所述变换器提供的位序列调制传输信号；高频步骤，所述高频步骤配置成通过将所述传输信号转移到高频带来产生高频信号；以及用于发射所述高频信号的天线。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于发送有线数据网络的数据的非接触传输耦合器的接收器。所述接收器包括：用于接收高频信号的天线；高频步骤，其被配置为通过将高频信号转移到中频带来产生传输信号；以及解调器，其被配置为通过解调传输信号来产生位序列。所述接收器还包括：转换器，其被配置成将位序列变换成数据信号，所述位序列表示在数据网络上采用的网络协议的物理层；以及用于输出所述数据信号的输出。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于有线数据网络数据的双向传输的非接触式传输耦合器，所述非接触式传输耦合器具有组合的发送和接收装置，所述组合的发送和接收装置具有上述发送器和接收器中的每一个。

在优选配置中，有线数据网络是根据以太网标准，特别地，100BASE-T，的数据网络。

例如，对于发送器的高频信号和/或接收器的高频信号使用自由许可的ISM频带是特别地有利的。如果发送器的高频信号在第一ISM频带中，并且接收器的高频信号在与第一ISM频带不同的第二ISM频带中，则全双工操作能够容易地实施。此外，通过组合几个不同的ISM频带，传输容量能够增加。特别地优选使用在2.4GHz和5.8GHz处的ISM频带，因为现成的HF构件对于这些频率以低成本是可用的。

有利地，发送器的高频信号的频率(即，发送频率)和接收器的高频信号的频率(即，接收频率)是可调的。由于传输路径的两个传输耦合器必须以互补的方式彼此协调，所以可以通过制造和提供仅一种单一类型的耦合器来最小化制造和存储成本，所述仅一种单一类型的耦合器然后能够被适当地配置以使用。如果传输耦合器被配置成用于全双工操作，则是特别有利的。

如果发送器的高频信号的带宽和接收器的高频信号的带宽可调，同样是有利的。取决于关于要传输的数据信号的要求，例如，可以使用更大或更小数量的相邻频带。

优选这样的传输耦合器，在所述传输耦合器中，发送器和接收器被配置成用于在实时要求下的数据传输，即，在所述传输耦合器中，可以保证传输等待时间的上限。

此外，转换器优选地被配置成以比传输数据网络上所采用的网络协议的数据包或帧所需的时间更短的延迟来向调制器提供位序列。如果调制器配置成在每种情况下将位序列的给定数量的位变换成符号，并且同时，变换器配置成一旦接受到给定数量的位就以给定数量的位为组向调制器提供位序列的位，则同样是有利的。以这种方式，能够确保数据信号以最小的可能延迟被传输。特别地，确保延迟比传输在数据网络上所采用的网络协议的整个数据包或帧所需的时间更短。

在优选实施例中，调制器配置成例如用正交幅度调制方法，特别地，用4-QAM、16-QAM、64-QAM或256-QAM，调制传输信号。通过使用有效的调制方式，可以包含发送无线电信号所需的带宽。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将使用下面附图中所描述的示例性实施例更详细地解释本发明。在这种情况下，相同的部件用相同的附图标记和相同的部件标示来表示。此外，来自所示出和描述的不同实施例的特征的一些特征或特征的组合也可以构成独立的、创造性的或根据本发明本身的解决方案。在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的具有发送器和接收器的非接触式传输路径的示意性框图，

图2示出了根据本发明的实施例的具有组合的发送和接收装置的非接触式传输耦合器的示意性框图，

图3示出了根据本发明的实施例的用于全双工操作的非接触式传输耦合器的架构，

图4示出了根据本发明的另一实施例的用于全双工操作的非接触传输耦合器的架构。

具体实施方式

发明人已经认识到，如果在位传输层(也称为物理层(PHY))上的数据在发送器处被检测、调制并且作为无线电信号传输到接收器，以便在那里被解调并转换回相应的物理数据信号，则能够实现具有低等待时间和高数据通量的用于传输有线数据网络的数据的非接触式传输耦合器。与其中在较高协议层(例如，数据链路层或网络层)进行传输的常规无线电网络相反，数据信号能够几乎没有延迟地以这种方式从一侧传输到另一侧。此外，通过发送器侧检测和在物理层上的位调制，与其中模拟信号形式构成传输基础的常规方法相反，传输可以接近于理论信道容量而进行。

图1示出了根据本发明的实施例的具有发送器110和接收器120的非接触式传输路径的示意性框图。

发送器110经由输入连接111接收以太网信号，所述以太网信号由变换器113转换成位序列，其中该位序列对应于在以太网协议的位传输层(PHY)上传输的数据。变换器可以是常规的以太网PHY部件，检测通过邻近其输入的(模拟)以太网信号所传输的位，并将所述位作为在其输出处定义的逻辑信号提供。变换器具体地将在物理传输介质(以太网电缆)上使用的线路码(例如，快速以太网100BASE-TX处的4B5B码)变换成在物理层上传输的用户数据。

这样检测的位序列被连续地(例如逐位或逐字节地或以每个传输另一适当数目的位数量)传送到调制器115，调制器115将位序列直接(即，不缓冲或中间存储)变换成调制的传输信号。可以采用任何合适的方法来调制，特别是已知的正交幅度调制(QAM)，例如4-QAM，16-QAM等。调制的传输信号在高频步骤117中被变换为无线电信号，并且经由天线119发射。

检测到的位序列的连续转换优选地发生，使得足够数量的位总是被传递到调制器，如产生传输信号的符号所需要的。只要适当数量的位已经到达物理层，传输信号的每个符号基本上被传输-而不仅仅是在接收到所采用的传输协议的整个数据包或整个帧之后。在4-QAM的情况下，这是每个符号2位，在16-QAM的情况下，是4位，等等。每个符号的位数量在任何情况下都明显低于所采用的传输协议的每帧或数据包的位数量。例如，以太网数据包的最小长度为72字节×8位/字节＝576位。作为物理层的数据被逐位而不是逐帧地或逐个数据包地传输的结果，可以确保相应的短的等待时间。

在接收器侧，经由天线129接收的无线电信号在高频步骤127中被处理并馈送到解调器125。接收器的高频步骤127特别地可以放大所接收的无线电信号，并将其混合降到中频带。解调器125将用于传输的符号转换回数字位序列。该位序列由变换器123(以太网PHY)变换成物理传输介质(以太网电缆)上使用的线路码。这样生成的以太网信号被提供在输出121处。

图2示出了具有组合的发送和接收装置(收发器)的非接触式传输耦合器200的示意性框图，所述组合的传输和接收装置(收发器)与相应的相对件一起布置成用于双向数据传输。单个块的功能的模式大致上对应于图1，为了避免重复，我们引导您参考图1。

经由网络连接201产生到有线数据网络(例如，以太网)的连接。转换器203(例如，以太网PHY)确保在以太网电缆上采用的线路码到在物理层上传输的位的双向变换。在传输操作中，如上所述，这些位由调制器215变换成传输信号，所述传输信号借助于传输分支的HF步骤217变换成无线电信号。HF无线电信号经由双工器208馈送到天线209。在接收操作中，由天线209拾取的无线电信号经由双工器208发送到接收分支的HF步骤227，被适当地放大并变换成中频信号，并最后由解调器225解调。解调后的位序列由变换器203变换成线路码，并在网络连接201处输出。

本发明的非接触式传输耦合器优选地布置成用于全双工操作，使得可以在两个方向上同时传输数据。例如，这能够通过使分离的频带用于两个传输方向来实现。因此，一个传输路径采用的传输耦合器对因此必须相互协调，即，当一个耦合器在第一频带中发送并在第二频频带中接收时，第二个耦合器必须在第二频带中发送并在第一频带中接收。因此，每个单独的传输耦合器优选地布置成使得当在操作中时，传输频带和接收频带都是可配置的。

在另一有利的配置中，非接触式传输耦合器布置成使用自由许可的ISM频带(工业，科学和医疗)用于数据传输。特别地，2.4GHz和5.8GHz处的两个频带是特别合适的，因为在这里，许多HF部件(滤波器等)已经可以在市场上购买。2.4GHz处的频带能够用于一个方向的传输，并且5.8GHz处的频带能够用于在相反方向上的传输。由于根据本发明采用的物理层上的位序列的调制，这些频带所提供的带宽是足够的，甚至对于快速以太网信号的传输。

图3示出了根据本发明的实施例的用于全双工操作的非接触传输耦合器300的架构。示例性实施例设计成用作在5.2GHz和5.8GHz频带使用的快速以太网耦合器。

以太网经由通用滤波器302(“以太网磁性元件(EthernetMagnetics)”)连接到常规以太网物理层收发器303(“以太网PHY”)，其又耦合到逻辑电路304(FPGA，现场可编程门阵列)。逻辑电路304负责调度、调制和时钟生成。由以太网PHY在物理层上接收的数据被正交幅度调制并传送到数/模变换器310并变换成对应的模拟信号。在通过低通滤波器311(通过范围0-100MHz)更新滤波并通过平衡不平衡变换器(balun)314移除共模部分之后，由此产生的传输信号经由混频器315和带通316(通过范围5.8GHz+/-0.75GHz)转换为5.8GHz频带的HF信号。混频器315的控制频率由FPGA 304、振荡器330和带通滤波器331(通过范围2.8625GHz+/-14MHz)产生。HF信号在功率放大器317中被放大，并经由具有高通滤波器318的双工器308输出到5GHz宽带天线。

在接收操作中，由宽带天线309接收的无线电信号经由双工器308和深通滤波器328施加到放大器327，所述放大器327具有可变的放大因子。通过功率检测器350控制放大因子。结果通过带通滤波器326(通过范围5.2GHz+/-0.05MHz)滤波，并经由混频器325转换到中频带。混频器325的控制频率由FPGA 304、振荡器340和带通滤波器341(通过范围2.575GHz+/-25MHz)产生。在共模部分的适配(平衡不平衡变换器324)和低通滤波(通过范围0-100MHz的低通滤波器321)执行之后，接收信号在模拟/数字变换器320中被数字化并在FPGA 304中被解调。作为结果获得的数据位被传送到以太网PHY 303，所述以太网PHY将其变换成相应的(模拟)以太网信号，并经由滤波器302将其输出到数据网络。

图4示出了根据本发明的另一实施例的用于全双工操作的非接触传输耦合器400的架构。该示例性实施例设计成用作使用2.4GHz和5.8GHzISM频带的快速以太网耦合器。图4的架构类似于图3的架构，其中，类似的元件配有类似的附图标记。我们引导您参考图3的上述描述，并且将避免重复对这些元件的详细描述。

与图3相比照，在图4的架构中，在中频步骤中提供用于I/Q调制或解调的额外的混频器412和422，以便即使在不良接收条件下也确保正确解调。此外，使用2.4GHz频带而不是用于一个传输信道的5.2GHz频带，以便保证安全的信道分离。此外，现成的滤波器部件对于这些频带可廉价地提供。最后，由于具有可变放大因子的放大器对于5GHz区域不可用，或只能以巨大的费用创建，因此放大控制已从HF步骤转移到IF步骤(IF：中频)。

如以上已经结合图3说明的，也如在图4的架构中，以太网经由通常的滤波器402连接到常规的以太网PHY 403，以太网PHY 403又耦合到FPGA 404。FPGA 404负责调度、调制和时钟生成。通过以太网PHY在物理层上接收的数据作为I和Q分量分别传送到数/模变换器410并变换成相应的模拟信号。在通过深通滤波器411a-b更新滤波之后，利用由FPGA提供的时钟信号，将由此产生的模拟信号在I/Q调制器412处变换成调制的传输信号。在带通滤波器413(通过范围440+/-30MHz)中更新滤波并且在平衡不平衡变换器414中的共模调整之后，滤波的发送信号经由混频器415和带通416(通过频率5.8GHz+/-0.75GHz)变换成5.8GHz频带的HF信号。混频器415的控制频率由FPGA 404、振荡器430和带通滤波器431(通过范围2.8625GHz+/-14MHz)产生。HF信号在功率放大器417中被放大，并经由具有高通滤波器418的双工器408输出到5GHz宽带天线。

在接收操作中，由宽带天线409接收的无线电信号经由双工器408和深通滤波器428施加到具有低噪声放大器(LNA)的放大器427。结果在带通426(通过范围2.4GHz+/-0.085MHz)中被滤波，并经由混频器425转换到中频带。混频器425的控制频率由FPGA 404、振荡器440和带通滤波器441(通过范围2.4GHz+/-10MHz)产生。在信号放大的适配由具有可变放大因子的放大器424和更新带通滤波423(通过范围440GHz+/-30MHz)执行之后，接收信号在正交IF解调器422中被解调，即，分解成I和Q分量。两个分量分别被深通滤波(421a-b)并在ADC 420中被数字化。数字I和Q分量在FPGA 404中变换成原始位序列，并经由以太网PHY 403变换成相应的(模拟)以太网信号，并经由滤波器402输出到数据网络。

虽然本发明已经使用100BASE-T以太网标准进行了说明，但其并不限于此具体标准或以太网标准系列，而是也可以转移到其他网络标准上，特别是转移到在OSI模型的物理层上能够传输数字数据的所有标准。

因此，本发明提供了一种用于传输有线数据网络数据的非接触式传输耦合器。为了能够以对传输带宽的低要求获得高数据通量和短等待时间，利用在物理层(位传输层)上传输的数据位来调制传输信号，并将传输信号在ISM频带中作为无线电信号传输。通过组合两个不同的ISM频带能够实现用于快速以太网信号的全双工操作。

附图标记列表：

Claims (15)

1.一种用于传输有线数据网络数据的非接触式传输耦合器的发送器(110)，包括：

输入(111、201)，所述输入用于接收数据信号；

变换器(113、203)，所述变换器配置成将所接收的数据信号变换成位序列，所述位序列表示在所述数据网络上采用的网络协议的物理层；

调制器(115、215)，所述调制器配置成利用由所述变换器提供的所述位序列来调制传输信号；

高频步骤(117、217)，所述高频步骤配置成通过将所述传输信号转移到高频带来产生高频信号；以及

天线(119、209)，所述天线用于发射所述高频信号。

2.一种用于传输有线数据网络数据的非接触式传输耦合器的接收器(120)，包括：

天线(129、209)，所述天线用于接收高频信号；

高频步骤(127、227)，所述高频步骤配置成通过将所述高频信号转移到中频带来产生传输信号；

解调器(125、225)，所述解调器配置成通过解调所述传输信号来产生位序列；

变换器(123、203)，所述变换器配置成将所述位序列变换成数据信号，所述位序列表示在所述数据网络上采用的网络协议的物理层；以及

输出(121、201)，所述输出用于所述数据信号。

3.一种用于双向传输有线数据网络数据的非接触式传输耦合器，所述非接触式传输耦合器具有组合的发送和接收装置，所述组合的发送和接收装置包括根据权利要求1所述的发送器和根据权利要求2所述的接收器。

4.根据权利要求3所述的非接触式传输耦合器，其中，所述有线数据网络基于以太网标准，优选地，基于100BASE-T。

5.根据权利要求3或4所述的非接触式传输耦合器，其中，所述发送器的所述高频信号和/或所述接收器的所述高频信号在ISM频带中。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的非接触式传输耦合器，其中，所述发送器的所述高频信号在第一ISM频带中，并且所述接收器的所述高频信号在与所述第一ISM频带不同的第二ISM频带中。

7.根据权利要求6所述的非接触式传输耦合器，其中，所述第一ISM频带处于2.4GHz，并且所述第二ISM频带处于5.8GHz。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的非接触式传输耦合器，其中，所述发送器的所述高频信号的频率和所述接收器的所述高频信号的频率是可调的。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的非接触式传输耦合器，其中，所述发送器的所述高频信号的带宽和所述接收器的所述高频信号的带宽是可调的。

10.根据权利要求3至9中任一项所述的非接触式传输耦合器，其中，所述发送器和所述接收器配置成用于全双工操作。

11.根据权利要求3至10中任一项所述的非接触式传输耦合器，其中，所述发送器和所述接收器配置成用于在实时要求下的数据传输。

12.根据权利要求3至11中任一项所述的非接触式传输耦合器，其中，所述变换器(113、123、203)配置成以一延迟向调制器(115、215)提供所述位序列的位，所述延迟比传输所述数据网络上所采用的网络协议的数据包或帧所需要的时间短。

13.根据权利要求3至12中任一项所述的非接触式传输耦合器，其中，所述调制器(115、215)配置成在每种情况下将所述位序列的给定数量的位变换成符号，并且其中，所述变换器(113、123、203)配置成一旦已经接收到给定数量的位，则以给定数量的位为组向所述调制器(115、215)提供位序列的位。

14.根据权利要求3至13中任一项所述的非接触式传输耦合器，其中，所述调制器(115、215)配置成用正交幅度调制方法调制所述传输信号。

15.根据权利要求14所述的非接触式传输耦合器，其中，所述调制器(115、215)配置成用4-QAM、16-QAM、64-QAM或256-QAM调制传输信号。