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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zur kontaktlosen Datenübertragung unter Echtzeitanforderungen, insbesondere für die Datenübertragung in Verbindung mit industriellen Ethernet-Protokollen. Zur Verfügung gestellt werden ein Sender und ein Empfänger für einen kontaktlosen Übertragungskoppler zur bidirektionalen Übertragung von Daten eines kabelgebundenen Datennetzes sowie ein kontaktloser Übertragungskoppler zur bidirektionalen Übertragung von Daten eines kabelgebundenen Datennetzes mit einem kombinierten Sende- und Empfangsgerät.
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Hintergrund
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Die Verwendung von kontaktlosen Kopplern anstelle von Kabel- oder Steckverbindungen ist an sich bekannt und kann einige der mit herkömmlichen Kabel- oder Steckverbindungen einhergehenden mechanischen und elektrischen Probleme überwinden, wie z. B. fehlende Flexibilität, mangelhafte elektrische Zuverlässigkeit oder ungenügender Schutz vor Umwelteinflüssen. Kontaktlose Koppler bestehen üblicherweise aus einem Sender und einem Empfänger, die über eine kurze Entfernung hinweg elektromagnetische Signale im weitesten Sinne übertragen. Zum Einsatz kommen dabei insbesondere optische Signale, Funksignale, oder eine induktive Kopplung. Die zu übertragenden Daten müssen dabei zunächst vom Sender in Form eines elektrischen Datensignals empfangen, decodiert und in das zur Kopplung verwendete Signal verwandelt werden. Dieses Signal wird beim Empfänger detektiert und in das ursprüngliche elektrische Datensignal zurück verwandelt. Diese Verarbeitungsschritte sind unvermeidlich mit einer Verzögerung und einer Bandbreitenbegrenzung verbunden.
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Aus der Druckschrift
WO 2013/130486 A1 ist ein kontaktloser, elektromagnetischer Ersatz für kabelgebundene Standardschnittstellen (wie z. B. universal serial bus, USB) bekannt, bei dem ein elektrischer Signalisierungszustand eines ersten USB-Gerätes in ein elektromagnetisches Signal gewandelt und über eine kontaktlose Verbindung an einen Empfänger eines zweiten USB-Gerätes übertragen wird. Dort wird das elektromagnetische Signal in ein elektrisches Signal zurückverwandelt, das den ursprünglichen Signalisierungszustand des ersten USB-Gerätes am zweiten USB-Gerät nachbildet. Wenn die vom Standard vorgeschriebenen zeitlichen und elektrischen Anforderungen an das elektrische Signal eingehalten werden, entsteht für das zweite USB-Gerät der Eindruck, dass es direkt mit dem ersten USB-Gerät verbunden ist.
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Um insbesondere die zeitlichen Anforderungen an das zu übertragende elektrische Signal einhalten zu können, ist eine entsprechende Bandbreite für das elektromagnetische Kopplungssignal erforderlich. Der obengenannte kontaktlose Ersatz für kabelgebundene Standardschnittstellen verwendet daher ein Funksignal im EHF-Band (EHF: extremely high frequency), d. h. im Bereich von 30 bis 300 GHz. Die Verwendung derart hoher Frequenzen hat neben den damit verbundenen konstruktiven Komplikationen den Nachteil, dass das Kopplungssignal einer starken Dämpfung durch verschiedene Materialien, insbesondere Wasserdampf ausgesetzt ist. Dadurch kann die Zuverlässigkeit beim Einsatz in einer industriellen Umgebung beeinträchtigt sein.
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Aus der Druckschrift
WO 2009/021025 A2 ist eine kontaktlose Ethernet-Verbindung mit einem bidirektionalen Wandler bekannt. Die Übertragung des Ethernet-Signals erfolgt dabei im Basisband mit Hilfe eines induktiven Kopplers. Der Einsatz einer induktiven Kopplung ist aber vor allem in Verbindung mit hohen Übertragungsraten problematisch.
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Zur drahtlosen Datenübertragung sind im Stand der Technik auch Funknetze bekannt, wie zum Beispiel das aus der Familie der Standards IEEE-802.11 bekannte WLAN (wireless local area network). Derartige Funknetze sind allerdings aufgrund der mangelnden Übertragungssicherheit und der hohen (und nicht vorhersehbaren) Latenzzeiten ungeeignet für den Einsatz unter Echtzeitanforderungen.
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Zusammenfassung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen kontaktlosen Übertragungskoppler zur Übertragung von Daten eines kabelgebundenen Datennetzes zur Verfügung zu stellen, der sich durch geringe Latenzzeiten, eine hohe Übertragungsrate und eine verbesserte Zuverlässigkeit auszeichnet. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kontaktlosen Übertragungskoppler für Echtzeitanwendungen auf Basis industrieller Ethernet-Protokolle zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es ist dabei der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, die auf der physikalischen Schicht des kabelgebundenen Datennetzes übertragene Bitfolge zu detektieren, ein Übertragungssignal mit dieser Bitfolge zu modulieren und als Funksignal zu übertragen. Auf der Empfängerseite wird das Funksignal demoduliert, die Bitfolge rekonstruiert und ein entsprechendes Datensignal für das kabelgebundene Datennetz erzeugt. Auf diese Weise können die Daten mit einer extrem kurzen Latenzzeit in der Größenordnung der Bitbreite kontaktlos und effizient übertragen werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sender für einen kontaktlosen Übertragungskoppler zur Übertragung von Daten eines kabelgebundenen Datennetzes zur Verfügung gestellt. Der Sender umfasst einen Eingang für den Empfang eines Datensignals und einen Wandler, der dazu eingerichtet ist, das empfangene Datensignal in eine Abfolge von Bits zu verwandeln, wobei die Abfolge von Bits die physikalische Schicht eines auf dem Datennetz eingesetzten Netzwerkprotokolls darstellt. Der Sender umfasst weiterhin einen Modulator, der dazu eingerichtet ist, ein Übertragungssignals mit der von dem Wandler gelieferten Abfolge von Bits zu modulieren, eine Hochfrequenzstufe, die dazu eingerichtet ist, ein Hochfrequenzsignal durch Verschiebung des Übertragungssignals in ein Hochfrequenzband zu erzeugen, und eine Antenne zur Abstrahlung des Hochfrequenzsignals.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Empfänger für einen kontaktlosen Übertragungskoppler zur Übertragung von Daten eines kabelgebundenen Datennetzes zur Verfügung gestellt. Der Empfänger umfasst eine Antenne zum Empfang eines Hochfrequenzsignals, eine Hochfrequenzstufe, die dazu eingerichtet ist, ein Übertragungssignal durch Verschiebung des Hochfrequenzsignals in ein Zwischenfrequenzband zu erzeugen, und einen Demodulator, der dazu eingerichtet ist, eine Abfolge von Bits durch Demodulation des Übertragungssignals zu erzeugen. Der Empfänger umfasst weiterhin einen Wandler, der dazu eingerichtet ist, die Abfolge von Bits in ein Datensignal zu verwandeln, wobei die Abfolge von Bits die physikalische Schicht eines auf dem Datennetz eingesetzten Netzwerkprotokolls darstellt, und einen Ausgang für die Ausgabe des Datensignals.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein kontaktloser Übertragungskoppler zur bidirektionalen Übertragung von Daten eines kabelgebundenen Datennetzes mit einem kombinierten Sende- und Empfangsgerät zur Verfügung gestellt, der jeweils einen der oben beschriebenen Sender und Empfänger umfasst.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem kabelgebundenen Datennetz um ein Datennetz nach einem Ethernet-Standard, insbesondere dem 100BASE-T Standard.
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Besonders vorteilhaft ist z. B. die Verwendung der lizenzfreien ISM-Bänder für das Hochfrequenzsignal des Senders und/oder das Hochfrequenzsignal des Empfängers. Ein Voll-Duplex-Betrieb lässt sich leicht realisieren, wenn das Hochfrequenzsignal des Senders in einem ersten ISM-Band liegt und das Hochfrequenzsignal des Empfängers in einem zweiten ISM-Band liegt, das sich von dem ersten ISM-Band unterscheidet. Durch die Kombination von mehreren unterschiedlichen ISM-Bändern kann zudem die Übertragungskapazität gesteigert werden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung der ISM-Bänder bei 2,4 GHz bei 5,8 GHz, da für diese Frequenzen vorgefertigte HF-Komponenten kostengünstig erhältlich sind.
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Vorteilhafterweise sind die Frequenz des Hochfrequenzsignals des Senders (d. h. die Sendefrequenz) und die Frequenz des Hochfrequenzsignals des Empfängers (d. h. die Empfangsfrequenz) einstellbar. Da die beiden Übertragungskoppler einer Übertragungsstrecke in komplementärer Weise aufeinander abgestimmt sein müssen, können so Herstellungs- und Lagerhaltungskosten minimiert werden, indem nur eine einzige Art von Kopplern hergestellt und angeboten wird, die dann für den Einsatz entsprechend konfiguriert werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Übertragungskoppler für einen Vollduplex-Betrieb eingerichtet sind.
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Ebenso ist es von Vorteil, wenn die Bandbreite des Hochfrequenzsignals des Senders und die Bandbreite des Hochfrequenzsignals des Empfängers einstellbar sind. Je nach Anforderung an das zu übertragende Datensignal kann z. B. eine größere oder eine kleiner Zahl von benachbarten Frequenzbändern verwendet werden.
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Bevorzugt werden kontaktlose Übertragungskoppler, bei denen der Sender und der Empfänger für eine Datenübertragung unter Echtzeitanforderungen eingerichtet sind, d. h. bei denen eine Obergrenze für die Übertragungslatenzzeit garantiert werden kann.
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Vorzugsweise ist der Wandler zudem dazu eingerichtet, die Bits der Abfolge von Bits mit einer Verzögerung an den Modulator zu liefern, die kürzer ist als eine Zeit, die zur Übertragung eines Datenpakets oder Frames des auf dem Datennetz eingesetzten Netzwerkprotokolls erforderlich ist. Ebenso ist es von Vorteil wenn der Modulator dazu eingerichtet ist, eine vorgegebene Anzahl von Bits der Abfolge von Bits in jeweils ein Symbol zu verwandeln, und gleichzeitig der Wandler dazu eingerichtet ist, die Bits der Abfolge von Bits in Gruppen der vorgegebenen Anzahl von Bits an den Modulator zu liefern, sobald die vorgegebenen Anzahl von Bits empfangen wurde. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Datensignal mit geringstmöglicher Verzögerung übertragen wird. Insbesondere ist sichergestellt, dass die Verzögerung kürzer ist als die Zeit, die zur Übertragung eines ganzen Datenpakets oder Frames des auf dem Datennetz eingesetzten Netzwerkprotokolls erforderlich ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Modulator dazu eingerichtet, das Übertragungssignals z. B. mit einem Quadratur-Amplituden-Modulationsverfahren zu modulieren, insbesondere mit 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM, oder 256-QAM. Durch die Verwendung eines effizienten Modulationsverfahrens kann die für die Übertragung des Funksignals erforderliche Bandbreite in Grenzen gehalten werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockdiagramm einer kontaktlosen Übertragungsstrecke mit einem Sender und einem Empfänger gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 ein schematisches Blockdiagramm eines kontaktlosen Übertragungskopplers mit kombiniertem Sende- und Empfangsgerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 die Architektur eines kontaktlosen Übertragungskopplers für Voll-Duplex-Betrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
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4 die Architektur eines kontaktlosen Übertragungskopplers für Voll-Duplex-Betrieb gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Die Erfinder haben erkannt, dass ein kontaktloser Übertragungskopper zur Übertragung von Daten eines kabelgebundenen Datennetzes mit geringen Latenzzeiten und hohem Datendurchsatz realisiert werden kann, wenn die Daten auf der Bitübertragungsschicht (auch als physikalische Schicht oder engl. physical layer (PHY) bezeichnet) am Sender detektiert, moduliert und als Funksignal zum Empfänger übertragen werden, um dort demoduliert und in ein entsprechendes physikalisches Datensignal zurück verwandelt zu werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Funknetzen, bei denen die Übertragung auf einer höheren Protokollschicht (z. B. der Sicherungsschicht (Data Link Layer) oder der Vermittlungsschicht (Network Layer)) erfolgt, kann auf diese Weise das Datensignal nahezu ohne Verzögerung von der einen Seite zur anderen übertragen werden. Darüberhinaus kann durch die senderseitige Detektion und Modulation der Bits auf der physikalischen Schicht die Übertragung im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen die analoge Signalform Grundlage der Übertragung bildet, nahe an der theoretischen Kanalkapazität erfolgen.
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer kontaktlosen Übertragungsstrecke mit einem Sender 110 und einem Empfänger 120 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Der Sender 110 empfängt über einen Eingangsanschluss 111 ein Ethernet-Signal, das von einem Wandler 113 in eine Folge von Bits umgeformt wird, wobei die Abfolge von Bits den Daten entspricht, die auf der Bitübertragungschicht (PHY) des Ethernet-Protokolls übertragenen werden. Bei dem Wandler kann es sich um einen herkömmlichen Ethernet-PHY-Baustein handeln, der die mittels des an seinem Eingang anliegenden (analoge) Ethernet-Signals übertragenen Bits detektiert und als definiertes Logik-Signal am Ausgang bereitstellt. Konkret führt der Wandler eine Umsetzung des auf dem physikalischen Übertragungsmedium (Ethernet-Kabel) verwendeten Leitungscodes (z. B. 465B-Code bei Fast-Ethernet 100BASE-TX) in die auf der physikalischen Schicht übertragenen Nutzdaten durch.
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Die so detektierte Bitfolge wird sukzessive (z. B. Bit für Bit oder Byte für Byte oder in einer anderen geeigneten Anzahl von Bits pro Übermittlung) an den Modulator 115 weitergereicht, der die Bitfolge unmittelbar (d. h. ohne Pufferung oder Zwischenspeicherung) in ein moduliertes Übertragungssignal umsetzt. Zur Modulation kann jedes geeignete Verfahren eingesetzt werden, insbesondere die bekannte Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM, engl. quadrature amplitude modulation), wie z. B. 4-QAM, 16-QAM, etc. Das modulierte Übertragungssignal wird in einer Hochfrequenzstufe 117 in ein Funksignal umgesetzt und über die Antenne 119 abgestrahlt.
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Die sukzessive Weitergabe der detektierten Bitfolge an den Modulator erfolgt dabei vorzugsweise so, dass stets so viele Bits an den Modulator weitergereicht werden, wie sie zur Erzeugung eines Symbols des Übertragungssignals erforderlich sind. Im Wesentlichen wird jedes Symbol des Übertragungssignals gesendet, sobald die entsprechende Zahl von Bits der physikalischen Schicht eingetroffen ist – und nicht erst, nachdem ein ganzes Paket oder ein ganzer Frame des eingesetzten Übertragungsprotokolls empfangen wurde. Bei 4-QAM sind dies 2 Bit pro Symbol, bei 16-QAM sind es 4 Bit, etc. Die Zahl der Bits pro Symbol ist in jedem Fall deutlich geringer als die Zahl der Bits pro Frame bzw. Paket des eingesetzten Übertragungsprotokolls. Ethernet-Pakete haben beispielsweise eine Mindestlänge von 72 Byte × 8 Bit/Byte = 576 Bit. Dadurch, dass die Daten der physikalischen Schicht quasi Bit-für-Bit und nicht Frame-für-Frame oder Paket-für-Paket übertragen werden, kann eine entsprechend kurze Latenzzeit sichergestellt werden.
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Auf der Empfängerseite wird das über die Antenne 129 empfangene Funksignal in einer Hochfrequenzstufe 127 verarbeitet und einem Demodulator 125 zugeführt. Die Hochfrequenzstufe 127 des Empfängers kann insbesondere das empfangene Funksignal verstärken und in ein Zwischenfrequenzband herab mischen. Der Demodulator 125 verwandelt die zur Übertragung verwendeten Symbole zurück in eine Folge digitaler Bits. Diese Bitfolge wird durch den Wandler 123 (Ethernet-PHY) in den auf dem physikalischen Übertragungsmedium (Ethernet-Kabel) verwendeten Leitungscode umgesetzt. Das so erzeugte Ethernet-Signal wird am Ausgang 121 bereitgestellt.
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2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines kontaktlosen Übertragungskopplers 200 mit kombiniertem Sende- und Empfangsgerät (Transceiver) der zusammen mit einem entsprechenden Gegenstück für eine bidirektionale Datenübertragung eingerichtet ist. Die Funktionsweise der einzelnen Blöcke entspricht weitgehend denen der 1, auf die hier zur Vermeidung von Doppelungen verwiesen wird.
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Über den Netzwerkanschluss 201 wird die Verbindung mit dem kabelgebundenen Datennetz (z. B. Ethernet) hergestellt. Der Wandler 203 (z. B. Ethernet PHY) sorgt für die bidirektionale Umsetzung des auf dem Ethernet-Kabel eingesetzten Leitungscodes in die auf der physikalischen Schicht übertragenen Bits. Im Sendebetrieb werden diese Bits wie oben stehend erläutert durch den Modulator 215 in ein Übertragungssignal verwandelt, das mit Hilfe der HF-Stufe 217 des Sendezweiges in ein Funksignal umgesetzt wird. Das HF-Funksignal wir über einen Diplexer 208 der Antenne 209 zugeführt. Im Empfangsbetrieb wird das von der Antenne 209 aufgefangene Funksignal über den Diplexer 208 an die HF-Stufe 227 des Empfangszweiges weitergeleitet, geeignet verstärkt und in ein Zwischenfrequenzsignal verwandelt, und schließlich vom Demodulator 225 demoduliert. Die demodulierte Bitfolge wird durch den Wandler 203 in Leitungscodes umgesetzt und am Netzwerk-Anschluss 201 ausgegeben.
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Der kontaktlose Übertragungskoppler der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise für einen Voll-Duplex-Betrieb eingerichtet, so dass Daten simultan in beide Richtungen übertragen werden können. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass separate Frequenzbänder für die zwei Übertragungsrichtungen verwendet werden. Das für eine Übertragungsstrecke eingesetzte Paar aus Übertragungskopplern muss dementsprechend aufeinander abgestimmt sein, d. h. während der eine Koppler im ersten Band sendet und im zweiten Band empfängt, muss der zweite Koppler im zweiten Band senden und im ersten Band empfangen. Vorzugsweise ist jeder einzelne Übertragungskoppler daher so eingerichtet, dass sowohl das Sendeband als auch das Empfangsband im Betrieb konfigurierbar sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die kontaktlosen Übertragungskoppler dazu eingerichtet, die lizenzfreien ISM-Bänder (engl. Industrial, Scientific and Medical) für die Datenübertragung zu verwenden. Besonders geeignet sind insbesondere die beiden Bänder bei 2,4 GHz und 5,8 GHz, da hier zahlreiche HF-Komponenten (Filter etc.) bereits kommerziell verfügbar sind. Das Band bei 2,4 GHz kann für die Übertragung in der einen Richtung und das Band bei 5,8 GHz kann für die Übertragung in der Gegenrichtung verwendet werden. Aufgrund der erfindungsgemäß eingesetzten Modulation der Abfolge der Bits auf der physikalischen Schicht ist die durch diese Bänder bereitgestellte Bandbreite selbst für die Übertragung von Fast-Ethernet-Signalen ausreichend.
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3 zeigt die Architektur eines kontaktlosen Übertragungskopplers 300 für Voll-Duplex-Betrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Ausführungsbeispiel ist für die Anwendung als Fast-Ethernet-Koppler unter Verwendung der 5,2 GHz und 5,8 GHz Bänder ausgelegt.
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Das Ethernet wird über die üblichen Filter 302 („Ethernet Magentics”) mit einem herkömmlichen Ethernet Physical Layer Transceiver 303 („Ethernet-PHY”) verbunden, der wiederum mit einer Logik-Schaltung 304 (FPGA, engl. Field Programmable Gate Array) gekoppelt ist.
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Die Logik-Schaltung 304 ist für die Ablaufsteuerung, die Modulation und die Takterzeugung zuständig. Daten, die auf der physikalischen Schicht durch den Ethernet-PHY empfangen wurden, werden Quadratur-Amplituden moduliert und an einen Digital-Analog-Wandler 310 weitergereicht und in entsprechende Analog-Signale umgewandelt. Nach erneuter Filterung durch den Tiefpassfilter 311 (Durchlassbereich 0–100 MHz) und Entfernung des Gleichtaktanteils mittels Balun 314 wird das so erzeugte Übertragungssignal über den Mischer 315 und den Bandpass 316 (Durchlassbereich 5,8 GHz +/– 0,75 GHz) in ein HF-Signal im 5,8 GHz Band verwandelt. Die Steuerfrequenz für den Mischer 315 wird durch den FPGA 304, den Oszillator 330 und den Bandpassfilter 331 (Durchlassbereich 2,8625 GHz +/– 14 MHz) erzeugt. Das HF-Signal wird im Leistungsverstärker 317 verstärkt und über den Diplexer 308 mit Hochpassfilter 318 an eine 5 GHz Breitbandantenne ausgegeben.
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Im Empfangsbetrieb wird ein von der Breitbandantenne 309 empfangenes Funksignal über den Diplexer 308 und den Tiefpassfilter 328 an einen Verstärker 327 mit variablem Verstärkungsfaktor angelegt. Der Verstärkungsfaktor wird über einen Leistungsdetektor 350 gesteuert. Das Ergebnis wird durch den Bandpassfilter 326 (Durchlassbereich 5,2 GHz +/– 0,05 GHz) gefiltert und über den Mischer 325 in das Zwischenfrequenzband transformiert. Die Steuerfrequenz für den Mischer 325 wird durch den FPGA 304, den Oszillator 340 und den Bandpassfilter 341 (Durchlassbereich 2,575 GHz +/– 25 MHz) erzeugt. Nach erfolgter Anpassung des Gleichtaktanteils (Balun 324) und Tiefpassfilterung (Tiefpassfilter 321 mit Durchlassbereich 0–100 MHz) wird das Empfangssignal im Analog-Digital-Wandler 320 digitalisiert und im FPGA 304 demoduliert. Die dadurch erhaltenen Daten-Bits werden an den Ethernet-PHY 303 übergeben, der diese in ein entsprechendes (analoges) Ethernet-Signal umwandelt und über die Filter 302 an das Datennetz ausgibt.
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4 zeigt die Architektur eines kontaktlosen Übertragungskopplers 400 für Voll-Duplex-Betrieb gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Ausführungsbeispiel ist für die Anwendung als Fast-Ethernet-Koppler unter Verwendung der ISM-Bänder 2,4 GHz und 5,8 GHz ausgelegt. Die Architektur der 4 ähnelt derjenigen der 3, wobei ähnliche Elemente mit ähnlichen Bezugszeichen versehen sind. Auf eine Wiederholung der detaillierten Beschreibung dieser Elemente wird unter Verweis auf die obenstehende Beschreibung der 3 verzichtet.
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Im Gegensatz zu 3 sind in der Architektur der 4 in der Zwischenfrequenzstufe weiterer Mischer 412 und 422 für die I/Q-Modulation bzw. Demodulation vorgesehen, um eine korrekte Demodulation auch bei schlechten Empfangsbedingungen sicherzustellen. Darüberhinaus wird für den einen Übertragungskanal das 2,4 GHz Band anstelle des 5,2 GHz Bandes verwendet, um eine sichere Kanaltrennung zu gewährleisten. Für diese Bänder sind zudem vorgefertigte Filterkomponenten kostengünstig erhältlich. Schließlich wurde die Verstärkungssteuerung von der HF-Stufe in die IF-Stufe (IF: Zwischenfrequenz, engl. intermediate frequency) verschoben, da Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor für den 5 GHz Bereich nicht verfügbar bzw. nur kostspielig realisierbar sind.
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Wie obenstehend im Zusammenhang mit 3 bereits erläutert, wird auch in der Architektur der 4 das Ethernet wird über die üblichen Filter 402 mit einem herkömmlichen Ethernet-PHY 403 verbunden, der wiederum mit einem FPGA 404 gekoppelt ist. Der FPGA 404 ist für die Ablaufsteuerung, die Modulation und die Takterzeugung zuständig. Daten, die auf der physikalischen Schicht durch den Ethernet-PHY empfangen wurden, werden getrennt als I und Q-Komponenten an einen Digital-Analog-Wandler 410 weitergereicht und in entsprechende Analog-Signale umgewandelt. Nach erneuter Filterung durch die Tiefpassfilter 411a–b werden die so erzeugten Analogsignale am I/O-Modulator 412 mit einem vom FPGA bereitgestellten Taktsignal in ein moduliertes Übertragungssignal verwandelt. Nach erneuter Filterung im Bandpassfilter 413 (Durchlassbereich 440 +/– 30 MHz) und Gleichtaktanpassung im Balun 414 wird das gefilterte Übertragungssignal über den Mischer 415 und den Bandpass 416 (Durchlassbereich 5,8 GHz +/– 0,75 GHz) in ein HF-Signal im 5,8 GHz Band verwandelt. Die Steuerfrequenz für den Mischer 415 wird durch den FPGA 404, den Oszillator 430 und den Bandpassfilter 431 (Durchlassbereich 2,8625 GHz +/– 14 MHz) erzeugt. Das HF-Signal wird im Leistungsverstärker 417 verstärkt und über den Diplexer 408 mit Hochpassfilter 418 an eine 5 GHz Breitbandantenne ausgegeben.
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Im Empfangsbetrieb wird ein von der Breitbandantenne 409 empfangenes Funksignal über den Diplexer 408 und den Tiefpassfilter 428 an einen Verstärker 427 mit niedrigem Rauschpegel (LNA, engl. low noise amplifier) angelegt. Das Ergebnis wird im Bandpass 426 (Durchlassbereich 2,4 GHz +/– 0,085 GHz) gefiltert und über den Mischer 425 in das Zwischenfrequenzband transformiert. Die Steuerfrequenz für den Mischer 425 wird durch den FPGA 404, den Oszillator 440 und den Bandpassfilter 441 (Durchlassbereich 2,4 GHz +/– 10 MHz) erzeugt. Nach erfolgter Anpassung der Signalamplitude durch den Verstärker 424 mit variablem Verstärkungsfaktor und erneuter Bandpassfilterung 423 (Durchlassbereich 440 +/– 30 MHz) wird das Empfangssignal im Quadratur IF-Demodulator 422 demoduliert, d. h. in I und Q-Komponenten zerlegt. Beide Komponenten werden separat Tiefpass gefiltert (421a–b) und im ADC 420 digitalisiert. Die digitalen I und Q-Komponenten werden im FPGA 404 in die ursprüngliche Bitfolge verwandelt und über den Ethernet-PHY 403 in ein entsprechendes (analoges) Ethernet-Signal umgewandelt und über die Filter 402 an das Datennetz ausgegeben.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des 100BASE-T Ethernet-Standards erläutert wurde, ist sie weder auf diesen konkreten Standard noch auf die Familie der Ethernet-Standards beschränkt, sondern lässt sich auch auf andere Netzwerkstandards übertragen, insbesondere auf alle Standards, bei denen digitale Daten auf der physikalischen Schicht des OSI-Modells übertragen werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt also einen kontaktlosen Übertragungskoppler zur Übertragung von Daten eines kabelgebundenen Datennetzes zur Verfügung. Um einen hohen Datendurchsatz und kurze Latenzzeiten bei geringen Anforderungen an die Übertragungsbandbreite erzielen zu können, wird ein Übertragungssignal mit den auf der physikalischen Schicht (Bitübertragungsschicht) übermittelten Datenbits moduliert und als Funksignal in einem ISM-Band übertragen. Durch die Kombination von zwei unterschiedlichen ISM-Bändern kann ein Voll-Duplex-Betrieb für Fast-Ethernet-Signale realisiert werden. Bezugszeichenliste:
| Bezugsziffer | Beschreibung |
| 110 | Sender |
| 111, 121, 201 | Netzwerkanschluss |
| 113, 123, 203 | Wandler |
| 115, 215 | Modulator |
| 117, 127, 217, 227 | HF-Stufe |
| 119, 129, 209, 309, 409 | Antenne |
| 125, 225 | Demodulator |
| 200 | Transceiver |
| 208, 308, 408 | Diplexer |
| 300, 400 | Übertragungskoppler |
| 302, 402 | Filter |
| 303, 403 | Ethernet-PHY |
| 304, 404 | FPGA |
| 310, 410 | Digital-Analog-Wandler |
| 320, 420 | Analog-Digital-Wandler |
| 311, 321, 411a, 411b, 421a, 421b | Tiefpassfilter |
| 314, 324, 414 | Balun |
| 315, 325, 415, 425 | Mischer |
| 316, 326, 331, 341, 416, 426, 431, 441 | Bandpassfilter |
| 317, 417 | Leistungsverstärker |
| 318, 418 | Hochpassfilter |
| 328, 428 | Tiefpassfilter |
| 327, 424, 427 | Verstärker |
| 330, 340, 430, 440 | Oszillator |
| 350, 450 | Leistungsdetektor |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013/130486 A1 [0003]
- WO 2009/021025 A2 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Standards IEEE-802.11 [0006]
