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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Signalverzerrungen bei der Übertragung binär kodierter Signale in einem Kraftfahrzeug, bevorzugt bei einer Stromschnittstelle.
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Bei der Übertragung binär kodierter Signale über eine Stromschnittstelle haben Leitungseigenschaften, insbesondere Leitungs-Induktivitäten und Sensorkapazitäten, aber auch andere in einem Bussystem parallel angeordnete Sensoren (Sender) mit ihren Lastkapazitäten einen erheblichen Einfluss auf die Verzerrungen der am Empfänger ankommenden Signale. Durch solche Verzerrungen wird die Auswertung auf der Empfängerseite erschwert bzw. unter Umständen sogar unmöglich gemacht.
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Verursacht werden solche linearen Verzerrungen insbesondere durch die Kapazitäten auf der Sensorseite. Sie bilden zusammen mit den Leitungsinduktivitäten einen Schwingkreis welcher eine starke lineare Verzerrung der zu übertragenden binären Signale erzeugen kann.
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Die Kapazitäten auf der Sensorseite einer Stromschnittstelle haben die Aufgabe, eingekoppelte Störspannungen zu unterdrücken und sind deshalb unverzichtbar. Das bedeutet, dass auf der Übertragungsstrecke die unterschiedlichen spektralen Anteile des Sendesignals in Amplitude und Phase linear verzerrt werden. Dies hat zur Folge, dass beispielsweise ein gesendetes angenähertes Rechtecksignal auf der Empfängerseite mehr oder weniger stark verzerrt ankommt. Das erschwert den fehlerfreien Empfang des binären Signals auf der Empfängerseite erheblich.
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Um solches verzerrendes Leitungsverhalten zu vermeiden, ist es üblich, die Übertragungsleitungen an beiden Enden mit dem Wellenwiderstand "abzuschließen" bspw. mit 120 Ohm an jedem Ende einer Doppelleitung.
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Vom Prinzip ist dies auch bei den so genannten Stromschnittstellen möglich. Da über die Signalleitungen aber auch der Strom für die Versorgung des Sensors fließen muss, sind Abschlusswiderstände in dieser Größenordnung unerwünscht. Sie führen zu einem erhöhten Spannungsabfall und einer erhöhten Verlustleistung. Denn beträgt die Versorgungsspannung an den Klemmen eines Sensors in einem Rechenbeispiel 5 V, der Widerstand 120 Ohm und der Strom 20 mA, bleibt für die Sensorschaltung nur noch eine Spannung von 5,0 V – 2,4 V = 2,6 V übrig. Um diesen Spannungsabfall zu vermeiden bzw. klein zu halten, kann deshalb nur ein Dämpfungswiderstand von wenigen Ohm statt 120 Ohm akzeptiert werden. Aus diesem Grund muss mit nicht nominal abgestimmten Abschlusswiderständen gearbeitet werden. Mit zunehmender Leitungslänge und daraus resultierender zunehmender Leitungsinduktivität kommt es so an jeder Signalflanke zu einem Überschwingen bzw. einer gedämpften Schwingung.
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Aus der
DE 10 2004 030 728 A1 ist ein Verfahren zur Reduzierung von Störungen bei der Signalübertragung, insbesondere von pulsweiten modulierten Signalen bekannt. Dabei wird zur Veränderung des Flankenverlaufs beim Anliegen einer zu verändernden Flanke an einem Eingang der Vorrichtung ein in dem Speicher abgespeicherter digitalisierter Flankenverlauf aus dem Speicher ausgelesen und mittels des D/A-Wandlers in ein analoges Signal mit dem veränderten Flankenverlauf gewandelt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Reduzierung von linearen Verzerrungen bei einer Stromschnittstelle für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, bei dem eine absoluten Minimierung der im Signal enthaltenen Harmonischen automatisch mit gelöst wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Flankenformung des binär kodierten Signals im Sender durch Anpassen des Frequenz- und Phasenganges einer Harmonischen derart durchgeführt wird, dass die auf der gesamten Übertragungsstrecke zu erwartenden Signalverzerrungen kompensiert werden.
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Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, nicht das Schwingverhalten der Übertragungsleitungen in der üblichen Weise zu dämpfen, sondern bereits bei der Signalgenerierung im Sender, spätestens aber vor dem Schwellwertschalter im Empfänger zu kompensieren.
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Grundsätzlich können nur Frequenzen verzerrt werden, welche im Sendesignal enthalten sind. Reduziert man das Spektrum des Sendesignals auf das unvermeidbare Minimum, reduziert man auch die Komplexität der Gesamtaufgabe.
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Im Prinzip würde es bereits ausreichen, als Träger nur eine erste Harmonische zu verwenden. In der Praxis würde die geringe Flankensteilheit eines solchen Sinussignals auf der Empfängerseite die Dekodierung der binären Signalform jedoch erschweren. Gerade auch im Hinblick auf unerwünschte Störemissionen, sollten zur Signalbildung jedoch so wenig Harmonische wie möglich verwendet werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden neben einer ersten Harmonischen die im Signal verwendeten weiteren Harmonischen, in Bezug auf Amplitude und Phase gegenüber der ersten Harmonischen eingestellt, so dass der Frequenz- und Phasengang der Übertragungsstrecke kompensiert wird.
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Zur Vermeidung von Verzerrungen und unerwünschter Störaussendung wird deshalb zunächst das Spektrum des Sendesignals auf die für die Flankensteilheit unvermeidbar erforderlichen diskreten Frequenzen reduziert. Für viele Stromschnittstellen reicht es bereits aus, für den Träger (unmoduliertes Signal) beispielsweise neben der ersten Harmonischen zur Erhöhung der Flankensteilheit nur noch die dritte Harmonische hinzuzunehmen.
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Der Träger wird deshalb nicht aus einem Rechtecksignal mit anschließender Abschwächung unerwünschter Frequenzanteile erzeugt, sondern beispielsweise durch eine Synthese aus der ersten und dritten Harmonischen generiert.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Verzerrungen der am Empfänger eintreffenden Signale durch eine einem Schwellwertschalter vorgeschaltete Entzerrerschaltung entzerrt.
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Um den Einfluss der gesamten Übertragungsstrecke auf die Signalform zu kompensieren, wird die Amplitude und Phase der dritten (oder weiterer verwendeter) Harmonischen so eingestellt, das am Schwellwertschalter im Empfänger die gewünschte möglichst unverfälschte Signalform ankommt.
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Bevorzugt können sogar die Tiefpassfilter zur Störunterdrückung vor dem Schwellwertschalter im Empfängersteuergerät in die Kompensation mit einbezogen werden. Dies erlaubt eine deutlich bessere Störunterdrückung und robustere Signalübertragung.
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Bei einem Tiefpassverhalten der Übertragungsstrecke muss beispielsweise die Signalamplitude der dritten Harmonischen im Sensor entsprechend der Signaldämpfung auf der Übertragungsstrecke angehoben und die Phase durch einen Vorhalt vorgezogen wird.
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Da die Leitungsverhältnisse in einem Kraftfahrzeug bezogen auf eine bestimmte Sensoradresse im Wesentlichen bekannt und konstant sind, ist es auf diese Weise leicht möglich, trotz ungünstiger Leitungsverhältnisse auf der Empfängerseite bzw. am Schwellwertschalter eine nahezu ideale Signalform zu erzeugen.
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Prinzipiell reicht es also aus, die Amplitude und Phase der verwendeten Harmonischen gegenüber der ersten Harmonischen im Sensor so einzustellen, dass die Verzerrungen auf der Übertragungsstrecke gerade kompensiert werden. Mit Hilfe eines Simulationsmodells für die Übertragungsstrecke, weiterer eventuell angeschlossener Sensoren und der Eingangsschaltung des Empfängers ist es einfach, den Gesamtfrequenz- und Phasengang zu linearisieren und das gewünschte Eingangssignal für den Empfänger zu erzeugen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Einflüsse von optional parallel geschalteten Sendern durch entsprechend zugeordnete Tabellen kompensiert, wobei ein Empfängersteuergerät vorgesehen sein kann, das dem Sender mitteilt, welche Tabelle für die jeweilige Konfiguration ausgewählt werden soll.
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Die in einer Simulation optimierte Signalform (Flankenform) kann im Sensor in einer kleinen Tabelle abgelegt und bei jeder auszugebenden Flanke ausgelesen und mit einem DAC in die analoge Form rückgewandelt werden. Für unterschiedliche Leitungsverhältnisse können speziell angepasste Tabellen im Sensor abgelegt und je nach Bedarf ausgewählt werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild einer vereinfachten dimensionierten Schaltung,
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2 eine Grafik zur Erläuterung der prinzipiellen Problematik der verzerrten Frequenzströme und
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3 eine Grafik einer erfindungsgemäßen Optimierung des Sendestromes.
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In der 1 ist ein Prinzipschaltbild einer vereinfachten dimensionierten Schaltung dargestellt. Die Prinzipschaltung ist auf das Wesentliche reduziert.
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Die Arbeitsweise und die Vorteile der Erfindungsmeldung werden an Hand des Prinzipschaltbildes und der simulierten Signale beschrieben. Nachfolgend werden die einzelnen Aspekte des Prinzipschaltbildes näher erläutert.
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Die Stromquelle 1 erzeugt die erste Harmonische mit 125 kHz. Die Stromquelle 2 erzeugt die dritte Harmonische mit 375 kHz. Durch ein Parallelschalten der beiden Stromquellen wird der Summen-Sendestrom gebildet. Der Widerstand 3 IRMessS mit 1 mOhm dient in dieser Simulation nur der Messung des Sendestroms.
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Der Kondensator 4 Csensor stellt die Summenkapazität des Sensors dar. Mit dem Modulator 5 werden die beiden Stromquellen vom nicht näher dargestellten und zu übertragenden Dateninhalt moduliert. Bei der Generierung eines Manchestercodes werden bei jedem Phasensprung des Manchestercodes die Phasen und Amplituden der beiden Sinusquellen 1 und 2 für eine halbe Taktperiode quasi eingefroren (der DAC wird jeweils für 4 µs angehalten).
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Irmess ist der Summenwiderstand des gesamten Stromkreises. An ihm kann der Empfängerstrom gemessen werden. Die Summe der Leitungsinduktivität 6 beträgt in diesem Simulationsbeispiel 10 µH, die Summe der Leitungs- und Lastkapazität 7 beträgt 1 pF, die Sensorkapazität 4 17 nF und die Summe der Widerstände 8 im Stromkreis 10 Ohm. Der Strom durch den Widerstand 8 (IRmess) sollte bezüglich der Störeinkopplung und der Störaussendung möglichst die ideale Signalform aufweisen.
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In der 2 ist eine Grafik zur Erläuterung der prinzipiellen Problematik der verzerrten Frequenzströme dargestellt. Nachfolgend werden die einzelnen Kurvenverläufe näher erläutert.
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Die Kurve 1 zeigt das oben beschriebene aus 125 kHz Sinus und 375 kHz Sinus synthetisierte gewünschte unmodulierte Trägersignal. So wie es idealer Weise am Empfänger ankommen sollte.
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Die Kurve 2 zeigt die verzerrende Auswirkung einer Leitungsinduktivität von 10 µH bei einer Lastkapazität von 1 pF in Form eines starken Überschwingens am Signaleingang des Empfängers. Bei einer großen Leitungsinduktivität steigt zwar die Steilheit der Signalflanken, die Überschwinger sind jedoch inakzeptabel.
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Die Kurve 3 zeigt dagegen die dämpfende Auswirkung einer Lastkapazität 7 von 50 nF bei einer Leitungsinduktivität von 1 nH (die Werte 0 µH und 0 nF werden dabei vom Simulationstool nicht akzeptiert). Bei großer Lastkapazität 7 und geringer Leitungsinduktivität 6 gibt des dagegen keinen Überschwinger, jedoch ist die Flankensteilheit zu gering.
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In beiden Fällen kommen die Verzerrungen durch das frequenzabhängige Verhalten der Leitungen bzw. eventuell parallel geschalteter weiterer Sensoren mit zusätzlicher Lastkapazität zustande.
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Die Idee ist nun, diese verzerrenden Leitungseigenschaften durch einen entsprechenden Vorhalt in Bezug auf Phase und Amplitude bereits im Sensor (Sender) zu kompensieren.
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Konkret müssen hierzu der Betrag und die Phase der dritten Harmonischen gegenüber der ersten Harmonischen am Empfängereingang (noch besser am Eingang des Schwellwertschalters im Empfänger) möglichst dem gewünschten Sollwert entsprechen.
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Abhängig von den Eigenschaften der Leitungen wird also die dritten Harmonische mit 375 kHz gegenüber der ersten Harmonischen mit 125 kHz sowohl in der Phase als auch in der Amplitude auf die gewünschten Zielwerte eingestellt.
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Da in dem hier beschriebenen Beispiel neben der ersten Harmonischen lediglich eine weitere Frequenz verwendet wird, gestaltet sich die Lösung der Aufgabe besonders einfach: Für eine reale Applikation wird der Betrag und die Phase der dritten Harmonischen z.B. empirisch so angepasst, das die gewünschte Signalform am Empfänger erreicht wird.
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In der 3 ist eine Grafik einer erfindungsgemäßen Optimierung des Sendestromes dargestellt. Nachfolgend werden die einzelnen Kurvenverläufe näher erläutert.
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Die Kurve 1 zeigt als Referenz den Zielwert für den typischen Signalstrom am Empfängereingang.
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Die Kurve 2 zeigt den für eine Leitungsinduktivität von 10 µH und 1 pF optimierten Sendestrom.
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Die Kurve 3 zeigt den für eine Leitungsinduktivität von 1 nH und eine Lastkapazität von 50 nF optimierten Sendestrom.
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Die Kurve 2 und die Kurve 3 zeigen, dass sowohl eine große Leitungsinduktivität als auch eine große Lastkapazität perfekt kompensiert werden können.
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Der zeitliche Versatz der Kurven in dem obigen Bild hat für die Auswertung im Empfänger keinen Einfluss.
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Aufgrund der für die Auswertung im Empfänger perfekten Signalform kann mit sehr geringen Signalamplituden gearbeitet werden, wodurch die Verlustleistung und der Spannungsabfall reduziert werden können.
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Werden identische Sensoren an unterschiedlichen Leitungsimpedanzen angeschlossen, kann abhängig von der Sensoradresse die zugehörige angepasste Kurvenform über die Sensoradresse automatisch ausgewählt werden. Wird dagegen die Anpassung mit einem RC-Glied vorgenommen, ist dies nur durch eine Bestückoption möglich. Es werden dann jedoch zwangsläufig Sensorabarten erforderlich.
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Prinzipiell ist auch eine Reduzierung der Signalverzerrungen noch unmittelbar vor dem Schwellwertschalter im Empfänger möglich. Unterscheiden sich jedoch die Verzerrungen bei parallel an einen Bus angeschlossenen Sendern erheblich, ist eine Umschaltung im Entzerrer synchron zum gerade aktiven Sender erforderlich. Vorteilhaft ist es auch hier, wenn die Entzerrer-Eigenschaften individuell für jeden Sender programmierbar gestaltet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromquelle
- 2
- Stromquelle
- 3
- Widerstand
- 4
- Kondensator
- 5
- Modulator
- 6
- Summe der Leitungsinduktivität
- 7
- Summe der Leitungs- und Lastkapazität
- 8
- Summe der Widerstände
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004030728 A1 [0007]
