DE102011085070A1

DE102011085070A1 - Elektronische Schaltung und Verfahren zum Demodulieren von Nutzsignalen

Info

Publication number: DE102011085070A1
Application number: DE201110085070
Authority: DE
Inventors: Stefan Paul; Erik Münz; Hendrik Zeun; Stefan Pilz
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-04-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung (1) zum Demodulieren von Nutzsignalen, umfassend einen Hüllkurvendemodulator (3), der ein Nutzsignal aus einem Trägersignal demoduliert, wobei das zu demodulierende Trägersignal von einem Signaleingang (2) zugeführt wird, einen dem Hüllkurvendemodulator (3) nachgeschalteten DC-Entkoppler (4), wobei der DC-Entkoppler (4) den Gleichspannungsanteil entkoppelt, einen dem DC-Entkoppler (4) nachgeschalteten Potentialkonditionierer (5) zum Anpassen des Potentials des Nutzsignals, dass es geeignet ist dem ersten Eingang (7) eines Komparators (6) zugeführt zu werden, einen dem Potentialkonditionierer (5) nachgeschalteten Komparator (6) mit einem ersten Eingang (7), einem zweiten Eingang (8) und einem Ausgang (9), wobei der Ausgang (9) in Abhängigkeit der Differenz von erstem Eingang (6) und zweitem Eingang (7) geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Potentialkonditionierer (5) nachgeschalteter Analog-Digital-Wandler (10) vorgesehen ist, wobei der Analog-Digital-Wandler (10) das Nutzsignal digitalisiert, eine dem Analog-Digital-Wandler (10) nachgeschaltete Entscheidereinheit (11) vorgesehen ist, wobei die Entscheidereinheit (11) je nach Nutzsignalpegel und einem Schwellenwert entscheidet ob eine Korrektur am Nutzsignalpegel vorgenommen wird, eine der Entscheidereinheit (11) nachgeschaltete Korrektureinheit (12) vorgesehen ist, wobei der Ausgang der Korrektureinheit (12) den Schwellenwert festlegt, wobei die Korrektureinheit (12) die Korrektur am Nutzsignalpegel vornimmt, und das korrigierte Nutzsignal über einen Signalwandler (13) dem zweiten Eingang (8) des Komparators (6) zuführt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Demodulieren von Nutzsignalen aus einem Trägersignal.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung und ein Verfahren zum Demodulieren von Nutzsignalen aus einem Trägersignal.
Das zu übertragende Nutzsignal (die „Information”) muss für eine Übertragung in ein geeignetes Format gewandelt werden. Dazu wird ein sogenanntes Trägersignal durch das Nutzsignal verändert. Diesen Vorgang nennt man Modulation. Den entgegengesetzten Vorgang, also das Herausfiltern eines Nutzsignals aus einem Trägersignal, nennt man Demodulation.
Die binäre Übertragung digitaler Signale erfolgt im einfachsten Falle dadurch, dass ein zweistufiges Rechtecksignal verwendet wird. Es kann in diesem Fall zwischen zwei Amplituden, Frequenzen oder Phasen umgeschaltet werden. Diese Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Amplitudenmodulation. Bei der Übertragung digitaler Signale spricht man statt von Modulation von Tastung, im Sinne der Erfindung von Amplitudentastung (ASK, engl. amplitude shift keying).
Die ASK umfasst allgemein NRZ-Signale (engl. non-return-to-zero), die nicht in regelmäßigen Intervallen auf ein Nullpotential zurückfallen. Ein NRZ-Signal enthält nur die reinen binär codierten Nutzdaten, wobei Null- und Einsbits häufig durch positives und negatives Potential repräsentiert werden.
Derartige Formen der Datenübertragung sind beispielsweise für induktiv koppelnde Steckverbindekupplungen geeignet, wie sie von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Memosens” vertrieben werden.
Nach dem Stand der Technik werden mittels ASK gesendete Daten beispielsweise mit einem Hüllkurvendemodulator und nachgeschaltetem Komparator demoduliert. Dadurch wird unterhalb der Schaltschwelle des Komparators auf Null, oberhalb auf Eins erkannt. Da jedoch das NRZ-kodierte Datensignal einen Gleichanteil hat, schwankt der Pegel (die Amplitude) des so zurück gewonnenen Signals erheblich.
Um das Problem zu lösen kann ein geregelter Verstärker eingesetzt werden um das Signal auf einen definierten Pegel zu verstärken. Allerdings verbraucht der Verstärker Energie, die unter Umständen, insbesondere bei induktiver Datenübertragung, nicht oder nicht ausreichend zur Verfügung steht.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin die Schaltschwelle des Komparators geeignet anzupassen.
Zur Anpassung der Schaltschwelle kann ein zweiter Hüllkurvendemodulator mit wesentlich größerer Zeitkonstante eingesetzt werden, der die maximale Amplitude eines Eins-Bits ermittelt und entsprechend seiner Zeitkonstante hält. Die Schaltschwelle des Komparators wird dann auf die halbe Trägeramplitude eingestellt.
Diese Schaltung ist aber vergleichsweise träge, so dass die Komparatorschwelle nicht schnell genug nachgeführt werden kann. Damit können schnelle Störungen des Datensignals, beispielsweise im mittleren μs-Bereich, nicht abgefangen werden. Weiterhin ist ein hoher Modulationsgrad erforderlich, der nur einen engen Schwankungsbereich erlaubt. Zudem sind der Demodulator und die Signalrückgewinnung lastabhängig. Schließlich wirken sich Störungen, die von der Betriebsspannung ausgehen, unterschiedlich auf die beiden Spannungspfade, also Nutzsignal und Schaltschwelle aus.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine elektronische Schaltung und ein Verfahren bereit zu stellen, die dauerhaft eine korrekte Demodulation von Nutzsignalen aus einem Trägersignal gewährleisten.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine elektronische Schaltung, umfassend

– einen Hüllkurvendemodulator, der ein Nutzsignal aus einem Trägersignal demoduliert, wobei das zu demodulierende Trägersignal von einem Signaleingang zugeführt wird,
– einen dem Hüllkurvendemodulator nachgeschalteten DC-Entkoppler, wobei der DC-Entkoppler den Gleichspannungsanteil entkoppelt,
– einen dem DC-Entkoppler nachgeschalteten Potentialkonditionierer zum Anpassen des Potentials des Nutzsignals, dass es geeignet ist dem ersten Eingang eines Komparators zugeführt zu werden,
– einen dem Potentialkonditionierer nachgeschalteten Komparator mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang, wobei der Ausgang in Abhängigkeit der Differenz von erstem Eingang und zweitem Eingang geschaltet wird,
– ein dem Potentialkonditionierer nachgeschalteter Analog-Digital-Wandler, wobei der Analog-Digital-Wandler das Nutzsignal digitalisiert,
– eine dem Analog-Digital-Wandler nachgeschaltete Entscheidereinheit, wobei die Entscheidereinheit je nach Nutzsignalpegel und einem Schwellenwert entscheidet ob eine Korrektur am Nutzsignalpegel vorgenommen wird,
– eine der Entscheidereinheit nachgeschaltete Korrektureinheit, wobei der Ausgang der Korrektureinheit den Schwellenwert festlegt, wobei die Korrektureinheit die Korrektur am Nutzsignalpegel vornimmt, und das korrigierte Nutzsignal über einen Signalwandler dem zweiten Eingang des Komparators zuführt.

Durch die Verwendung der, dem Potentialkonditionierer nachgeschalteten Bauteile kann die Schaltschwelle des Komparators je nach Pegel des Nutzsignals nachgeführt werden. Es ist somit ein robustes Kommunikationsverhalten möglich und eine erfolgreiche Demodulation wird dauerhaft gewährleistet.
In einer Ausgestaltung ist der Signalwandler ein Digital-Analog-Wandler oder ein Wandler mit Lookup-Tabelle. Somit wird das digitale Signal analogisiert und kann dem Komparator als Schaltschwelle zugeführt werden.
In einer Weiterbildung ist zumindest eine der Komponenten: Komparator, Analog-Digital-Wandler, Digital-Analog-Wandler, Entscheidereinheit, Korrektureinheit, Signalwandler und/oder Wandler mit Lookup-Tabelle in einem Mikrocontroller, Mikroprozessor, DSP, FPGA, CPLD oder ASIC aufgebaut. Es sind somit nur wenige Bauteile, evtl. nur ein einziges Bauteil, zum Erfüllen der Aufgabe erforderlich.
Vorzugsweise ist zumindest eine der Komponenten: Entscheidereinheit, Korrektureinheit und/oder Wandler mit Lookup-Tabelle in Software implementiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Entscheidereinheit als digitaler Komparator implementiert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung stellt die Korrektur eine Addition oder eine Subtraktion dar.
Bevorzugt addiert die Korrektureinheit einen Wert h/2 zum Nutzsignalpegel, oder die Korrektureinheit subtrahiert einen Wert h/2 vom Nutzsignalpegel, wobei h eine typische Amplitude des Nutzsignals ist. Der Wert h/2 gewährleistet eine dauerhaft erfolgreiche Nachführung der Schaltschwelle des Komparators.
In einer Ausgestaltung weist der DC-Entkoppler zumindest einen Serienkondensator auf.
In einer Weiterbildung umfasst der Potentialkonditionierer einen Spannungsteiler, wobei der Spannungsteiler zwischen Versorgungsspannung und Masse geschaltet wird.
In einer Ausgestaltung umfasst der Komparator zumindest einen Operationsverstärker.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren, umfassend die Schritte

– Demodulieren des Nutzsignals,
– Entkoppeln des Gleichspannungsanteils des Nutzsignals,
– Anpassen des Potentials des Nutzsignals,
– Vergleichen und Ausgeben des Nutzsignals mit einem verarbeiteten Signal, wobei das verarbeitete Signal entsteht durch
– Digitalisieren des Nutzsignals,
– Entscheiden ob eine Korrektur am Nutzsignal vorgenommen wird,
– Korrigieren des Nutzsignals, und
– Signalwandlung des Nutzsignals.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigt
1 einen schematischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung zum Demodulieren von Nutzsignalen aus einem Trägersignal.
Die in 1 dargestellte elektronische Schaltung 1 zum Demodulieren von Nutzsignalen umfasst dem Signalfluss nach beschrieben die folgenden Komponenten: Einen Signaleingang 2, an dem ein Trägersignal mit einem aufmoduliertem ASK-Nutzsignal anliegt, einen Hüllkurvendemodulator 3, einen DC-Entkoppler 4, einen Potentialkonditionierer 5, einen Komparator 6, der an seinem Ausgang 9 ein demoduliertes Signal ausgibt und eine Anpassschaltung 14 zum Nachführen der Schaltschwelle des Komparators 6. Die genannten Schaltungskomponenten sollen im Folgenden näher beschrieben werden.
Der Hüllkurvendemodulator 3 umfasst eine Diode 31 als Gleichrichter für das Eingangssignal. Diese lässt nur eine Polarität des hochfrequenten Eingangssignals passieren, sodass nur noch eine Hälfte der Hochfrequenzschwingungen verbleibt. Je nach Anordnung der Diode 31 ist dies die positive oder negative Hälfte. Danach folgt ein Tiefpass zur Entfernung des hochfrequenten Trägersignals. Meist wird der Tiefpass realisiert durch einen Kondensator 32 und einen parallelen Widerstand 33, wobei der Kondensator 32 und der Widerstand 33 gegen Masse geschaltet sind.
Das Signal ist nun von einer Gleichspannung (dem mittleren Pegel der Hochfrequenz) überlagert, die durch den nachfolgenden DC-Entkoppler 4, etwa einen Serienkondensator 41, entfernt wird.
Der Potentialkonditionierer 5 umfasst einen Spannungsteiler, meist bestehend aus zwei Widerständen 51, 52, der zwischen Masse und Versorgungsspannung Vcc geschaltet ist. Eventuell wird parallel zum Spannungsteiler ein Kondensator verwendet (nicht dargestellt).
Die Bauelemente, also Diode 31, Widerstände 33, 51, 52 und Kondensatoren 32, 41, sind so dimensioniert, dass die zu verwertende Information des am Signaleingang 2 anstehenden modulierten ASK-Signals vollständig enthalten ist.
Der Komparator 6 umfasst einen ersten Eingang 7 und einen zweiten Eingang 8. Am ersten Eingang 7 liegt das konditionierte Signal an. Am zweiten Eingang 8, der Schaltschwelle, liegt das durch die Anpassschaltung 14 verarbeitete Signal an. Der Ausgang 9 des Komparators 6 wird entsprechend der Differenz zwischen seinen Eingängen 7, 8 geschaltet. Der Komparator 6 ist üblicherweise ein entsprechend dimensionierter Operationsverstärker.
Die Anpassschaltung 14 besteht aus den Komponenten Analog-Digital-Wandler 10, Entscheidereinheit 11, Korrektureinheit 12, Anpasswert 15 und Signalwandler 13.
Das Signal, das am ersten Eingang 7 des Komparators 6 anliegt, wird auch an den Analog-Digital-Wandler 10 geführt, der dieses digitalisiert. Typischerweise geschieht diese Wandlung zyklisch, d. h. zu bestimmten regelmäßigen Zeitpunkten.
Die nachfolgende Entscheidereinheit 11 entscheidet ob das nun digitale Signal um einen Anpasswert 15 mit einer Anpassoperation angepasst wird. Eine typische Anpassoperation ist eine Addition, wobei ein typischer Anpasswert 15 ein Wert h/2 ist, mit h als typischen Amplitudenwert. Eine Addition im Sinne dieser Erfindung ist auch als Subtraktion (inverse Addition) zu verstehen. Es sind auch andere Anpassoperationen wie eine Multiplikation o. ä. möglich. Die nachfolgende Korrektureinheit 12 führt die Anpassoperation durch. Im Ausführungsbeispiel ist die Korrektureinheit 12 ein Addierer.
Die Entscheidereinheit 11 entscheidet anhand des vorhergehenden Pegelzustandes, ob der Anpasswert 15 addiert oder subtrahiert wird.
Das Signal wird nach der Korrektureinheit 12 über einen Signalwandler 13 an den zweiten Eingang 8 des Komparators 6 geführt. Der Signalwandler 13 kann beispielsweise ein Digital-Analog-Wandler oder ein Wandler mit Lookup-Tabelle sein.
Es ist möglich, dass der Komparator 6, die gesamte Anpassschaltung 14 oder bestimmte Komponenten der Anpassschaltung 14 Teil eines Mikrocontrollers, Mikroprozessors, Field Programmable Gate Array (FPGA), Complex Programmable Logic Device (CPLD), Digitaler Signalprozessor (DSP) oder ein application-specific integrated circuit (ASIC) sind. So können bestimmte Aufgaben softwaretechnisch gelöst werden.
Es ist möglich, dass der Komparator 6 und die Anpassschaltung 14 aus nur einem Bauteil besteht.
Insbesondere bei der Verwendung eines Mikrocontrollers oder eines Mikroprozessors kann die Entscheidereineit 11, Korrektureinheit 12 und/oder die Wandler mit Lookup-Tabelle in Software, d. h. als Stück Programmcode, implementiert sein.
Wie bereits erwähnt erfolgt die Digitalisierung des Nutzsignals durch den Analog-Digital-Wandler 10 zyklisch. Somit wird die Schaltschwelle des Komparators 6 durch die Anpassschaltung 14 zyklisch angepasst. Damit schnellere Störungen des Signals schnell genug abgefangen werden können, d. h. die Schaltschwelle des Komparators 6 schnell genug nachgeführt werden kann, löst der Komparator 6 eine Unterbrechungsanforderung (engl. interrupt request, IRQ) aus, sobald eine Kommunikation, d. h. ein Informationsfluss, statt findet. Innerhalb der dann folgenden Unterbrechungsroutine (engl. interrupt service routine, ISR) erfolgt die Digitalisierung des Signals durch den Analog-Digital-Wandler 10 und das Signal wird entsprechend angepasst.
Im Folgenden soll ein Beispiel einer Demodulation beschrieben werden: Zu Beginn steht der Ausgang 9 des Komparators 6 auf logisch eins (high). Nun beginnt die Kommunikation und die Flanke wird durch ein IRQ des Komparators 6 signalisiert. Der Ausgang 8 des Komparators 6 ist nach der Flanke auf logisch null (low) und die Analog-Digital-Wandlung wird in der ISR durchgeführt. Wegen des low-Pegels am Ausgang 8 wird nach Beendigung der Analog-Digital-Wandlung zu dem Pegel ein halber Hub hinzuaddiert (d. h. die Hälfte einer typischen Amplitude). Dieser neue Wert wird nach einer Signalwandlung an den zweiten Eingang 7 des Komparators 6 gelegt. Der aktuelle Pegelzustand wird beispielsweise in einer Variablen vermerkt. Bei der nächsten Flanke muss dann subtrahiert werden, da der Komparator 6 nach dem Schalten einen high-Pegel ausgibt.
Durch diesen Regelvorgang, d. h. die dynamische Nachführung der Schaltschwelle und damit die Anpassung an veränderte Umgebungsbedingungen kann die gestellte Aufgabe erfüllt werden.
Bezugszeichenliste

1: Elektronische Schaltung
2: Signaleingang
3: Hüllkurvendemodulator
31: Diode von 3
32: Kondensator von 3
33: Widerstand von 3
4: DC-Entkoppler
41: Kondensator von 4
5: Potentialkonditionierer
51: Widerstand von 5
52: Widerstand von 5
6: Komparator
7: Erster Eingang von 6
8: Zweiter Eingang von 6
9: Ausgang von 6
10: Analog-Digital-Wandler
11: Entscheidereinheit
12: Korrektureinheit
13: Signalwandler
14: Anpassschaltung
15: Anpasswert
Vcc: Versorgungsspannung

Claims

Elektronische Schaltung (1) zum Demodulieren von Nutzsignalen, umfassend – einen Hüllkurvendemodulator (3), der ein Nutzsignal aus einem Trägersignal demoduliert, wobei das zu demodulierende Trägersignal von einem Signaleingang (2) zugeführt wird, – einen dem Hüllkurvendemodulator (3) nachgeschalteten DC-Entkoppler (4), wobei der DC-Entkoppler (4) den Gleichspannungsanteil entkoppelt, – einen dem DC-Entkoppler (4) nachgeschalteten Potentialkonditionierer (5) zum Anpassen des Potentials des Nutzsignals, dass es geeignet ist dem ersten Eingang (7) eines Komparators (6) zugeführt zu werden, – einen dem Potentialkonditionierer (5) nachgeschalteten Komparator (6) mit einem ersten Eingang (7), einem zweiten Eingang (8) und einem Ausgang (9), wobei der Ausgang (9) in Abhängigkeit der Differenz von erstem Eingang (6) und zweitem Eingang (7) geschaltet wird, – ein dem Potentialkonditionierer (5) nachgeschalteter Analog-Digital-Wandler (10), wobei der Analog-Digital-Wandler (10) das Nutzsignal digitalisiert, – eine dem Analog-Digital-Wandler (10) nachgeschaltete Entscheidereinheit (11), wobei die Entscheidereinheit (11) je nach Nutzsignalpegel und einem Schwellenwert entscheidet ob eine Korrektur am Nutzsignalpegel vorgenommen wird, – eine der Entscheidereinheit (11) nachgeschaltete Korrektureinheit (12), wobei der Ausgang der Korrektureinheit (12) den Schwellenwert festlegt, wobei die Korrektureinheit (12) die Korrektur am Nutzsignalpegel vornimmt, und das korrigierte Nutzsignal über einen Signalwandler (13) dem zweiten Eingang (8) des Komparators (6) zuführt.
Elektronische Schaltung (1) nach Anspruch 1, wobei der Signalwandler (13) ein Digital-Analog-Wandler oder ein Wandler mit Lookup-Tabelle ist.
Elektronische Schaltung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest eine der Komponenten: Komparator (6), Analog-Digital-Wandler (10), Digital-Analog-Wandler, Entscheidereinheit (11), Korrektureinheit (12), Signalwandler (13) und/oder Wandler mit Lookup-Tabelle in einem Mikrocontroller, Mikroprozessor, DSP, FPGA, CPLD oder ASIC aufgebaut ist.
Elektronische (1) Schaltung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Komponenten: Entscheidereinheit (11), Korrektureinheit (12) und/oder Wandler mit Lookup-Tabelle in Software implementiert ist.
Elektronische Schaltung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Entscheidereinheit (11) als digitaler Komparator implementiert ist.
Elektronische Schaltung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Korrektur eine Addition oder eine Subtraktion darstellt.
Elektronische Schaltung (1) nach Anspruch 6, wobei die Korrektureinheit (12) einen Wert h/2 zum Nutzsignalpegel addiert, oder die Korrektureinheit (12) einen Wert h/2 vom Nutzsignalpegel subtrahiert, wobei h eine typische Amplitude des Nutzsignals ist.
Elektronische Schaltung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der DC-Entkoppler (4) zumindest einen Serienkondensator aufweist.
Elektronische Schaltung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Potentialkonditionierer (5) einen Spannungsteiler umfasst, wobei der Spannungsteiler zwischen Versorgungsspannung (Vcc) und Masse geschaltet wird.
Elektronische Schaltung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Komparator (6) zumindest einen Operationsverstärker umfasst.
Verfahren zum Demodulieren von Nutzsignalen, umfassend die Schritte – Demodulieren des Nutzsignals, – Entkoppeln des Gleichspannungsanteils des Nutzsignals, – Anpassen des Potentials des Nutzsignals, – Vergleichen und Ausgeben des Nutzsignals mit einem verarbeiteten Signal, wobei das verarbeitete Signal entsteht durch – Digitalisieren des Nutzsignals, – Entscheiden ob eine Korrektur am Nutzsignal vorgenommen wird, – Korrigieren des Nutzsignals, und – Signalwandlung des Nutzsignals.