DE102020006221A1 - Semi-differentielle signalisierung zur verbesserung des dsi3-busses - Google Patents

Abstract

Semi-differentielle Signalisierungstechnik sowie Busvorrichtungen und Kommunikationssysteme, die diese Technik nutzen, um die Leistungsfähigkeit des DSI3-Busses zu verbessern. In einer Ausführungsform wird eine DSI3-Master-Vorrichtung bereitgestellt, die mit einer DSI3-Slave-Vorrichtung über einen Bus gekoppelt werden kann, der mindestens eine Stromversorgungsleitung, eine Stromrückführungsleitung und eine Signalleitung aufweist. Die Master-Vorrichtung schließt Folgendes ein: einen Stromversorgungsknoten und einen Stromrückführungsknoten, die mit der Stromversorgungsleitung bzw. der Stromrückführungsleitung verbunden sind, um die Slave-Vorrichtung mit Strom zu versorgen; einen Signalknoten, der mit der Signalleitung verbunden ist; und einen Treiber, der den Signalknoten in Bezug auf eine Referenzspannung in der Mitte zwischen den Spannungen des Stromversorgungsknotens und des Stromrückführungsknotens treibt.

Description

• HINTERGRUND
• Derzeitige und zukünftige Fahrzeuge verfügen über eine immer größer werdende Zahl von fahrzeugeigenen Sensoren und Systemen, die kritische Fahrzeugfunktionen ermöglichen oder unterstützen, einschließlich adaptiver Geschwindigkeitsregelung (ACC, en: Adaptive Cruise Control), Einparkhilfe, Vorwärtskollisionswarnung (FCW, en: Forward Collision Warning), Vorwärtskollision mit aktiver Bremse, Totwinkelwamung (BSW, en: Blind Spot Warning), Spurhaltesysteme (LKS, en: Lane Keeping Systems) u. a. Diese Technologien stellen im normalen Fahrbetrieb und in kritischen Szenarien eine direkte Unterstützung des Fahrers bereit, und einige sind sogar imstande, die durch den Fahrer erfolgende Steuerung zu verbessern oder eine autonome Steuerung bereitzustellen, um einen Unfall oder negative Auswirkungen zu verhindern oder abzuschwächen.
• Um die vielen Sensoren, Aktoren und Steuerungssysteme, die für solche Funktionen eingesetzt werden, einzubinden, implementieren Hersteller immer komplexere Datenkommunikationsnetzwerke in jedem Fahrzeug. Der von dem DSI-Konsortium (dsiconsortium.org) veröffentlichte Distributed System Interface-(DSI3-)Standard der 3. Generation stellt ein Beispiel für ein solches Kommunikationsnetzwerk bereit.
• DSI3 und andere Kommunikationsstandards müssen mit einem einzigartigen Zusammentreffen von Umständen umgehen, die ihre Leistung herausfordern. Die Netzwerke sind ortsveränderlich, akkubetrieben (d. h. Niederspannung), mit Leitungen, die lang genug sind, um elektromagnetische Störungen (EMI, en: electromagnetic interference) zu verursachen (und dafür anfällig zu sein). Die Netzwerke sollten gegen Vibrationseffekte resistent sein, dabei aber weiterhin kostengünstig und leicht zu reparieren sein. Der DSI3-Standard profitiert dadurch, dass er eine Anzahl von wünschenswerten Merkmalen, einschließlich einer Einzelleiterkommunikation mit optional integrierter Leistungslieferung bietet. Die Signalleitung ist jedoch nicht abgeschirmt und führt ein unipolares Signal gegen Massepotential (im Gegensatz zu einem Differenzsignal). Es sind verschiedene Bestrebungen im Gange, um die Datenkommunikationsleistung über den Einzelsignalleiter des DSI3-Busses zu erhöhen.
• KURZDARSTELLUNG
• Dementsprechend werden hierin eine semi-differentielle Signalisierungstechnik sowie Busvorrichtungen und Kommunikationssysteme offenbart, die diese Technik nutzen, um die Leistungsfähigkeit des DSI3-Busses zu verbessern. In einer Ausführungsform wird eine DSI3-Master-Vorrichtung bereitgestellt, die mit einer DSI3-Slave-Vorrichtung über einen Bus gekoppelt werden kann, der mindestens eine Stromversorgungsleitung, eine Stromrückführungsleitung und eine Signalleitung aufweist. Die Master-Vorrichtung schließt Folgendes ein: einen Stromversorgungsknoten und einen Stromrückführungsknoten, die mit der Stromversorgungsleitung bzw. der Stromrückführungsleitung verbunden sind, um die Slave-Vorrichtung mit Strom zu versorgen; einen Signalknoten, der mit der Signalleitung verbunden ist; und einen Treiber, der den Signalknoten in Bezug auf eine Referenzspannung in der Mitte zwischen den Spannungen des Stromversorgungsknotens und des Stromrückführungsknotens treibt.
• In einer anderen Ausführungsform wird eine DSI3-Slave-Vorrichtung bereitgestellt, die über einen Bus mit einer DSI3-Master-Vorrichtung gekoppelt werden kann. Die Slave-Vorrichtung schließt Folgendes ein: einen Stromversorgungsknoten und einen Stromrückführungsknoten, die mit der Stromversorgungsleitung bzw. der Stromrückführungsleitung verbunden sind, um Strom aus der Master-Vorrichtung zu empfangen; einen Signalknoten, der mit der Signalleitung verbunden ist; und einen Empfänger, der eine Spannung des Signalknotens in Bezug auf eine Referenzspannung in der Mitte zwischen den Spannungen des Stromversorgungsknotens und des Stromrückführungsknotens erfasst.
• Eine veranschaulichende Ausführungsform des Kommunikationssystems schließt sowohl die DSI3-Master-Vorrichtung als auch die DSI3-Slave-Vorrichtung, wie vorstehend beschrieben, ein.
• Eine veranschaulichende Ausführungsform eines semi-differentiellen Signalisierungsverfahrens schließt Folgendes ein: Versorgen einer Slave-Vorrichtung durch Stromfluss durch eine Stromversorgungsleitung und eine Stromrückführungsleitung; Ableiten einer Referenzspannung in der Mitte zwischen den Spannungen eines Stromversorgungsanschlusses und eines Stromrückführungsanschlusses, wobei der Stromversorgungsanschluss mit der Stromversorgungsleitung verbunden ist und der Stromrückführungsanschluss mit der Stromrückführungsleitung verbunden ist; und Treiben der Spannung einer Signalleitung in Bezug auf die Referenzspannung, um Daten an die Slave-Vorrichtung zu übermitteln.
• Jede der vorgenannten Ausführungsfonnen kann einzeln oder in Verbindung verwendet werden und kann wahlweise eines oder mehrere der folgenden Merkmale in jeder geeigneten Kombination einschließen: 1. einen Transceiver, der die physikalische Kompatibilität mit dem DSI3-Standard (Distributed System Interface-Standard der 3. Generation) wahrt, während er eine semi-differentielle Signalisierung unterstützt, wenn er in Verbindung mit einer kompatiblen Slave-Vorrichtung benutzt wird; 2. einen Spannungsteiler, der die Referenzspannung aus den Spannungen des Stromversorgungsknotens und des Stromrückführungsknotens ableitet; 3. einen Analog-Digital-Wandler, der die Referenzspannung als Nullpunkt verwendet; 4. einen Differenzverstärker, an dessen Eingänge die Referenzspannung und die Spannung des Signalknotens gekoppelt sind; 5. einen Differenzverstärker mit einer Impedanzkonfiguration, welche die erfasste Signalknotenspannung um die Hälfte der Spannung des Stromversorgungsknotens versetzt; 6. eine Stromrückführungsleitung, die an nicht mehr als einem Punkt mit Masse verbunden ist, um sicherzustellen, dass der Stromfluss durch die Stromversorgungsleitung durch die Stromrückführungsleitung zurückfließt.
• Figurenliste
• 1A ist eine Draufsicht auf ein veranschaulichendes Fahrzeug, das mit Sensoren ausgestattet ist.
• 1B ist ein Blockdiagramm eines veranschaulichenden Datenkommunikationsnetzwerks.
• 2A ist ein Blockdiagramm einer veranschaulichenden Slave-Vorrichtung für einen DSI3-Bus.
• 2B ist ein Blockdiagramm einer veranschaulichenden Master-Vorrichtung für einen DSI3-Bus.
• 2C ist eine vereinfachte Schaltung, die eine Downlink-Signalkommunikation zeigt.
• 3A ist ein veranschaulichendes Schaltschema einer ersten veranschaulichenden Konfiguration für eine semi-differentielle Signalisierung.
• 3B ist ein veranschaulichendes Schaltschema einer zweiten veranschaulichenden Konfiguration für eine semi-differentielle Signalisierung.
• 3C ist ein veranschaulichendes Schaltschema einer dritten veranschaulichenden Konfiguration für eine semi-differentielle Signalisierung.
• 3D ist ein veranschaulichendes Schaltschema einer vierten veranschaulichenden Konfiguration für eine semi-differentielle Signalisierung.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Die beigefügten Zeichnungen und die folgende Beschreibung führen zu Erläuterungszwecken besondere Ausführungsformen und Details an, es versteht sich jedoch, dass die Zeichnungen und die entsprechende ausführliche Beschreibung die Offenbarung nicht einschränken. Sie stellen vielmehr eine Grundlage bereit, die zusammen mit dem Verständnis eines Durchschnittsfachmanns alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen offenbart und ermöglicht, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
• 1A zeigt ein veranschaulichendes Fahrzeug 102, das mit Ultraschallsensoren 104 für eine verbesserte Fahrerassistenz ausgestattet ist. Die Anzahl und Konfiguration von Sensoren in der Sensoranordnung ist variabel, und es wäre nicht ungewöhnlich, an jeder Stoßstange acht Sensoren und sechs zusätzliche Sensoren auf jeder Seite zur Zonenüberwachung zu haben. In der Sensoranordnung können andere Sensortypen verwendet werden, wie etwa Radarantennenarrays, die hinter den Abdeckungen des vorderen und des hinteren Stoßfängers angebracht sind. Das Fahrzeug kann die Sensoranordnung zum Erfassen und Messen von Abständen zu Objekten in den verschiedenen Erfassungszonen einsetzen, wobei die Sensoren sowohl für Einzelmessungen als auch für zusammenwirkende Messungen (z. B. Triangulation) verwendet werden. Bei geeigneten Verarbeitungstechniken kann die Sensoranordnung verwendet werden, um Richtungen und Abstände mehrerer Hindernisse, deren Relativgeschwindigkeiten und Bewegungsvektoren mit eingeschlossen, zu erfassen und zu verfolgen.
• Die Ultraschallsensoren sind Transceiver, was bedeutet, dass jeder Sensor Ultraschall-Impulse senden und empfangen kann. Emittierte Impulse verbreiten sich vom Fahrzeug nach außen, bis sie auf ein Objekt oder eine andere Form nicht vorgesehenen akustischen Widerstands treffen und davon reflektiert werden. Die reflektierten Impulse kehren zum Fahrzeug als „Echos“ der emittierten Impulse zurück. Die Zeiten zwischen den emittierten Impulsen und den empfangenen Echos (auch bekannt als „Laufzeiten“) geben die Distanzen zu den Reflexionspunkten an. In einigen Implementierungen sendet immer nur jeweils ein Sensor, wobei jedoch alle Sensoren dazu ausgelegt sein können, die resultierenden Echos zu messen. In anderen Implementierungen übertragen mehrere Sensoren gleichzeitig, wobei sie sich auf unterschiedliche Frequenzen oder Wellenformen stützen, um die Echos von verschiedenen Quellen zu unterscheiden.
• 1B zeigt eine elektronische Steuereinheit (ECU) 105, die als Zentrum einer Sterntopologie mit den verschiedenen Ultraschallsensoren 104 und einem Radarsensor 106 gekoppelt ist. Selbstverständlich sind andere Topologien, einschließlich serieller, paralleler und hierarchischer (Baum-)Topologien, ebenfalls geeignet und werden zur Verwendung gemäß den hierin offenbarten Prinzipien in Betracht gezogen. Der Radarsensor 106 koppelt an Sende- und Empfangsantennen in einem Radarantennenarray, um elektromagnetische Wellen auszusenden, Reflexionen zu empfangen und eine räumliche Beziehung des Fahrzeugs zu seiner Umgebung zu ermitteln. Um automatisiertes Einparken, unterstütztes Einparken, Spurwechselunterstützung, Hindernis- und Totwinkelerkennung, autonomes Fahren und andere hochentwickelte Fahrerassistenzfunktionen bereitzustellen, kann die ECU 105 ferner mit Aktoren verbunden sein, wie etwa mit einem Fahrtrichtungsanzeigeaktor 108, einem Lenkungsaktor 110, einem Bremsaktor 112 und einem Gaspedalaktor 114. Die ECU 105 kann ferner mit einer interaktiven Benutzerschnittstelle 116 koppeln, um Benutzereingaben entgegenzunehmen und eine Anzeige der verschiedenen Messungen und des Systemstatus bereitzustellen.
• Es gibt verschiedene Standards zur Unterstützung der Kommunikation zwischen der ECU 105 und den verschiedenen Sensoren und Aktoren. Von besonderem Interesse hinsichtlich der vorliegenden Offenbarung ist das Busprotokoll Distributed System Interface der 3. Generation (DSI3), das zwischen einer Bus-Master-Vorrichtung (in der Regel der ECU) und einer oder mehreren Slave-Vorrichtungen (z. B. den Sensoren und Aktoren) eine Halbduplex-Kommunikation mittels eines Signals gegen Massepotential ermöglicht. Da der DSI3-Bus nur eine Signalleitung benötigt, kann er gelegentlich als „Eindraht“-Bus bezeichnet sein.
• 2A ist ein Blockdiagramm einer veranschaulichenden Slave-Vorrichtung 200, die zur Verwendung bei einem Bus nach DSI3-Standard geeignet ist. Die Slave-Vorrichtung 200 kann Teil eines Sensors sein, wie beispielsweise der vorstehend beschriebenen Ultraschall- oder Radarsensoren, oder daran angegliedert sein. Die Slave-Vorrichtung 200 schließt ein Steuergerät 202 ein, das Sensormessungen sammelt und relevante Nachrichten im Speicher 204 puffert, um die Messdaten an die Bus-Master-Vorrichtung zu übermitteln, die Teil einer ECU sein oder an diese angegliedert sein kann. Zwar kann die Nachrichtenlänge variiert werden, trotzdem umfasst in mindestens einer in Betracht gezogenen Ausführungsform jede Nachricht 16 Bytes und kann mit einer Präambel beginnen oder ihr kann eine Präambel vorangehen, die ein oder zwei Halbbytes lang ist. Ein Verwürfler 206 maskiert jede Nachricht mit einer pseudozufälligen Binärsequenz unter Verwendung einer bitweisen exklusiven ODER- (XOR-)Operation, um beliebige sich wiederholende Datenmuster zu randomisieren oder zu „weißen“. Falls vorhanden, wird die Preamble nicht maskiert, um so das Preamblemuster in dem Ausgangsbitstrom des Verwürflers zu erhalten. Das Seed für die pseudozufällige Sequenz kann für jede Nachricht variieren und kann für jede Slave-Vorrichtung variieren.
• Ein Kanalcodierer 208 codiert den Bitstrom aus dem Verwürfler 206, indem jedes Halbbyte auf ein entsprechendes Triplett von Kanalsymbolen abgebildet wird. Jedes Triplett schließt drei ternäre Kanalsymbole ein. Kanalsymbole werden hierin auch als „Chips“ bezeichnet und werden als einer von drei unipolaren Wechselschriftpegeln (NRZ-Pegeln) übertragen: 0, 1 oder 2, wobei jedes Symbol einem feste Symboldauer hat, die etwa 3 oder 4 Mikrosekunden betragen kann. Wie im Standard vorgesehen, kann „0“ einem Kanalruhesignalstrom I_Q entsprechen. Eine „1‟ kann einem Kanalantwortsignalstrom von I_Q+I_RESP entsprechen, und eine „2“ kann einem Kanalantwortsignalstrom von I_Q+2I_RESP entsprechen. Bei mindestens einigen Ausführungsformen ist I_Q auf nicht mehr als 2 mA beschränkt, und I_RESP beträgt ungefähr 12 mA. Einige der in Betracht gezogenen Ausführungsformen können von einer Signalisierung mittels dreier Pegel auf eine Signalisierung mittels zweier Pegel umschalten, um die Störfestigkeit zu verbessern. Bei solchen Ausführungsformen bildet der Kanalcodierer 208 8-Bit-Bytes auf 8-Bit-Codewörter ab; in diesem Fall werden nur die Strompegel I_Q und I_Q+2I_RESP verwendet.
• Ein Impulsformungsfilter 210 kann auf den Kanalsymbolstrom aus dem Codierer 208 derart einwirken, dass eine Übertragungsfunktion bereitgestellt wird, die Rechteckimpulse (z. B. NRZ-Chips) in glattere Impulsformen umwandelt, die das Kanalsignal mit wünschenswerteren spektralen Eigenschaften bereitstellen. Eine in Betracht gezogene Ausführungsform des Impulsformungsfilters 210 ist ein Sinc-Filter, jedoch sind bei Raised-Cosine-Filtern auch andere Impulsformen denkbar. Genauer schließen die in Betracht gezogenen Impulsformungsfiltertypen ein Hann-Filter, ein Hamming-Filter, ein Blackman-Filter und ein Nuttall-Filter ein. Ein Digital-Analog-Wandler 212 wirkt auf das gefilterte Kanalsignal ein, um es aus der digitalen Form in die analoge Form umzuwandeln, die hierin als Uplink-Kanalsignal bezeichnet sein kann. Ein Kanaltreiber 214 wandelt das Uplink-Kanalsignal in einen elektrischen Strom an einem Eingangs-/Ausgangssignalanschluss der Slave-Vorrichtung 200 um.
• Während der Downlink-Kommunikationsphase empfängt der Eingangs-/Ausgangssignalanschluss ein Downlink-Kanalsignal in Form eines elektrischen Spannungssignals. Der Empfangspuffer 218 stellt eine hohe Eingangsimpedanz für den Eingangs-/Ausgangssignalanschluss bereit, sodass das Downlink-Kanalsignal für den Analog-Digital-Wandler 224 gepuffert wird. Ein Downlink-Empfangsfilter 225 kann die Bandbreite des digitalen Empfangssignals begrenzen und/oder das Signal-Rausch-Verhältnis des Downlink-Signals verbessern. Bei mindestens einigen Ausführungsformen dient das Filter 225 dazu, Rauschen über 300 kHz zu unterdrücken. Ein Symboldetektor und -decodierer 226 verarbeitet das gefilterte Empfangssignal, um den Befehlstyp und die zugehörigen Nutzinformationen zu bestimmen, wobei die Informationen in den Empfangspuffer eingestellt werden, damit das Steuergerät 202 sie beim Formulieren einer Antwort verwenden kann.
• Die Slave-Vorrichtung 200 kann für ihren Betrieb Leistung bzw. Strom von einem Stromversorgungsanschluss (PWR+) beziehen, wobei die Spannung von dem Stromversorgungsanschluss an einen internen Stromversorgungsknoten gekoppelt ist, von dem aus die verschiedenen elektronischen Komponenten der Slave-Vorrichtung versorgt werden können. Um die Stromschleife von der Stromquelle zu schließen, ist der interne Masseknoten der Slave-Vorrichtung mit einem Stromrückführungsanschluss (PWR-) gekoppelt. Die Spannung des internen Versorgungsknotens, dargestellt als U_SUP, _SLAVE, wird gegen den internen Masseknoten gemessen. Der Stromversorgungsanschluss (PWR+), der Stromrückführungsanschluss (PWR-) und der Signalanschluss (DSI3) können mit entsprechenden Leitern eines Punkt-zu-Punkt-Busses oder eines Eins-zu-Viele-Busses gekoppelt sein.
• 2B ist ein Blockdiagramm einer veranschaulichenden Bus-Master-Vorrichtung 240, die sich zur Verwendung bei einem Bus nach DSI3-Standard eignet. Sie schließt einen Stromversorgungsanschluss (PWR+) und einen Stromrückfuhrungsanschluss (PWR-) ein, die interne Versorgungs- und Masseknoten mit entsprechenden Leitern koppeln, um die Slave-Vorrichtung 200 mit Leistung bzw. Strom zu versorgen. Außerdem ist ein Signalanschluss (DSI3) zum Ankoppeln an die Signalleitung des Busses bereitgestellt.
• Die Master-Vorrichtung 240 schließt ein Steuergerät 242 ein, das im Speicher 244 an die Slave-Vorrichtung 200 zu übermittelnde Downlink-Nachrichten formuliert. Ein Kanalcodierer 246 codiert die binären Downlink-Nachrichten durch Abbilden der Bits 0 und 1 auf Aufwärts- und Abwärtskanal-Spannungsübergänge, wie z. B. bei der Manchester-1-Codierung. Ein Digital-Analog-Wandler 248 wandelt das codierte Signal in ein analoges Downlink-Signal um. Ein Gleichspannungspegelumsetzer (dargestellt als 4-Volt-Spannungsquelle) hebt die Gleichspannung des analogen Downlink-Signals auf einen vorgegebenen Spannungspegel an, der dem DSI3-Standard entspricht. Ein Treiber 249 liefert das analoge Downlink-Signal als Spannungssignal an einen Eingangs-/Ausgangssignalanschluss der Master-Vorrichtung 240. Obwohl der DSI3-Standard eine 2-Volt-Spanne zwischen „hohen“ und „niedrigen“ Symbolspannungen vorsieht, wird bei einigen der in Betracht gezogenen Ausführungsformen eine 4-Volt-Spanne verwendet, um die Störfestigkeit zu verbessern.
• Das vom Treiber 249 erzeugte Spannungssignal wird an einen Eingangs-/Ausgangssignalanschluss übermittelt, und zwar über einen Widerstand, an dem ein Uplink-Signal gemessen wird, das als Stromsignal an den Eingangs-/Ausgangssignalanschluss geleitet wird. Ein hochohmiger Empfangspuffer 250 koppelt das Uplink-Signal vom Eingangs-/Ausgangssignalanschluss zu einem Analog-Digital-Wandler 252, der das Uplink-Signal digitalisiert, und zu einem Uplink-Empfangsfilter 253, das auf das digitale Signal einwirkt, um die Signalbandbreite zu begrenzen und/oder das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Der Filter 253 kann ein angepasster Filter sein, mit einem Filterfrequenzgang, der zumindest teilweise auf der Impulsform basiert, die von dem Impulsformungsfilter 210 bereitgestellt wird. Ein Chipdetektor 254 arbeitet auf dem gefilterten Uplink-Signal, um Kanalsymbolpegel zu erfassen. Eine Schwellenerfassungseinheit 255 kann Komparatorschwellenpegel für den Chip-Detektor 254 - zumindest teilweise basierend auf den Präambeln der Nachrichten - erfassen und/oder anpassen, wie nachstehend ausführlicher erörtert. Ein Decodierer 256 verarbeitet die Kanalsymbolfolge vom Chip-Detektor 254, indem er die Verarbeitung des Codierers 208 umkehrt, um die Chiptripletts auf binäre Halbbytes abzubilden. Ein Entwürfler 257 arbeitet auf den Bitstrom von dem Decoder 256 und kehrt Betrieb des Verwürflers 206 um, um die von der Slave-Vorrichtung gesendeten Nachrichtendaten zu extrahieren. Die Nachrichtendaten können in dem Speicher 244 zur Analyse und Verwendung durch das Steuergerät 242 gespeichert werden.
• Wenn die Slave-Vorrichtung 200 mit der Master-Vorrichtung 240 gekoppelt ist, unterliegt die Slave-Vorrichtung 200 einem Massedrift, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis des Downlink-Signalkanals möglicherweise verringert wird. Um das Problem zu veranschaulichen, stellt 2C ein vereinfachtes Schaltschema bereit, das den Betrieb des Busses zeigt, wie er für die Downlink-Signalkommunikation verwendet wird. Strom, der in den Stromversorgungs- und Stromrückführungsleitungen fließt, erzeugt Rauschspannungen U_N+ bzw. U_N- Folglich stehen die Versorgungsknotenspannungen von Master und Slave durch die folgende Gleichung in Beziehung: $${\text{U}}_{\text{SUP},\text{MASTER}}={\text{U}}_{\text{N}+}+{\text{U}}_{\text{SUP},\text{SLAVE}}+{\text{U}}_{\text{N}}.$$

  
• Wenn die Stromversorgungsleitung und die Stromrückführungsleitung ähnliche Eigenschaften (d. h. ähnliche Impedanz) aufweisen und gleiche Ströme führen (d. h. es gibt einen vernachlässigbaren Stromfluss in der Signalleitung und keinen Stromfluss in der Masseschleife), dann sind die Rauschspannungen im Wesentlichen gleich, sodass $${\text{U}}_{\text{SUP},\text{MASTER}}={\text{U}}_{\text{SUP},\text{SLAVE}}+2{\text{U}}_{\text{N}}$$

  

  und $${\text{U}}_{\text{N}}=\left({\text{U}}_{\text{SUP},\text{MASTER}}-{\text{U}}_{\text{SUP},\text{SLAVE}}\right)\text{/}2.$$

  
• Die Signalspannung, die von der Slave-Vorrichtung SIG_SLAVE erfasst wird und die vom Master als SIG_MASTER übertragene Signalspannung darstellt, kann bestimmt werden als: $${\text{U}}_{\text{SUP},\text{MASTER}}={\text{U}}_{\text{SUP},\text{SLAVE}}+2{\text{U}}_{\text{N}}$$

  

  $${\text{SIG}}_{\text{SLAVE}}={\text{SIG}}_{\text{MASTER}}-{\text{U}}_{\text{N}}$$

  
• In Worten, die Downlink-Signalspannung, die von der Slave-Vorrichtung erfasst wird, ist um die Massedrift-Rauschspannung vermindert.
• Hierzu sei angemerkt, dass die Rauschspannungen U_N+ und U_N- in der Regel gleich sind, was symmetrische Auswirkungen auf die Spannungen des Stromversorgungsanschlusses und des Stromrückführungsanschlussses des Slaves hat. Demzufolge kann eine höhere Störfestigkeit erreicht werden, falls nicht der Masseknoten als Referenz beim Senden und Empfangen von Signalen verwendet wird, sondern die Slave- und Master-Vorrichtungen eine Halbspannungsreferenz verwenden. Das heißt, die Master-Vorrichtung teilt die Differenz zwischen ihrer Versorgungsspannung und der Massespannung, um die Referenzspannung zum Senden des Downlink-Signals zu bestimmen, und die Slave-Vorrichtung teilt die Differenz zwischen ihrer Versorgungsspannung und der Massespannung, um die Referenzspannung zum Empfangen des Downlink-Signals zu bestimmen. Dies hat zur Folge, dass die Signalleitung nicht mehr ausschließlich gegen Massepotential angesteuert und abgetastet wird und auch nicht in ein herkömmliches Differenzsignal umgewandelt wird, sondern dass sie vielmehr in Bezug auf den Mittelwert der Spannungen der Stromversorgungsleitung und der Stromrückführungsleitung angesteuert und abgetastet wird. Diese Signalisierungstechnik wird hierin als „semi-differentielle Signalisierung“ bezeichnet.
• 3A ist ein veranschaulichendes Schaltschema einer ersten veranschaulichenden Konfiguration der Master- und der Slave-Vorrichtung für eine semi-differentielle Signalisierung. Die Master-Vorrichtung 240 benutzt einen Spannungsteiler, der aus zwei gleichen Widerständen R besteht, die zwischen dem internen Stromversorgungsknoten und dem internen Masseknoten in Reihe geschaltet sind. Die Zwischenverbindung zwischen den zwei Widerständen stellt einen Referenzspannungsknoten 301 bereit, der eine Spannung in der Mitte zwischen den Spannungen des Stromversorgungsanschlusses und des Stromrückführungsanschlusses aufweist. In ähnlicher Weise verwendet die Slave-Vorrichtung 200 einen Spannungsteiler, um einen Referenzspannungsknoten 303 zu erzeugen, der eine Spannung in der Mitte zwischen den Spannungen des Stromversorgungsanschlusses und des Stromrückführungsanschlusses der Slave-Vorrichtung aufweist. Der Referenzspannungsknoten 303 ist mit dem Nullpunkt-Referenzeingang des Analog-Digital-Wandlers 224 gekoppelt dargestellt. Eine variable Spannungsquelle 304 treibt den Signalanschluss in Bezug auf den Referenzspannungsknoten.
• Die Master- und die Slave-Signalspannung können nun folgendermaßen in Beziehung stehen: $${\text{SIG}}_{\text{MASTER}}+\left({\text{U}}_{\text{SUP},\text{MASTER}}\text{/2}\right)={\text{SIG}}_{\text{SLAVE}}+\left({\text{U}}_{\text{SUP},\text{SLAVE}}\text{/}2\right)+{\text{U}}_{\text{N}}$$

  

  $${\text{SIG}}_{\text{SLAVE}}={\text{SIG}}_{\text{MASTER}}-{\text{U}}_{\text{N}}+\left({\text{U}}_{\text{SUP},\text{MASTER}}-{\text{U}}_{\text{SUP},\text{SLAVE}}\right)\text{/}2$$

  

  $${\text{SIG}}_{\text{SLAVE}}={\text{SIG}}_{\text{MASTER}}$$

  
• Die Gleichheit ergibt sich daraus, dass die Rauschspannung UN vorher so eingerichtet wurde, dass sie gleich der Hälfte der Differenz der Versorgungsspannungen beträgt. Auf diese Weise kann die Rauschspannung in den Versorgungsleitungen kompensiert werden, wodurch die Störfestigkeit des Downlink-Signals maximiert wird.
• Die Ausführungsform von 3A ist veranschaulichend; zur Erzeugung einer Referenzspannung in der Mitte zwischen den Versorgungsspannung und der Rückleitungsspannung gibt es zahlreiche geeignete Möglichkeiten, die der Literatur zu entnehmen sind oder dem Fachmann bekannt sind. Ebenso gibt es zahlreiche geeignete Möglichkeiten, eine Signalleitung in Bezug auf eine solche Referenzspannung zu treiben und ein empfangenes Signal in Bezug auf eine solche Referenzspannung zu erfassen. Der Treiber kann, als ein Beispiel, einen Operationsverstärker in einer nichtinvertierenden Verstärkerkonfiguration einschließen, wobei die Referenzspannung einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zugeführt wird. Als weiteres Beispiel kann der Treiber ein Transimpedanz-Verstärker mit einem Eingangsknoten sein, an dem ein Strom, der proportional zu einem Ausgangsspannungssignal ist, und ein Gegenkopplungsstrom, der proportional zur Hälfte einer Stromversorgungsknotenspannung ist, angelegt wird. Was alternative Erfassungsanordnungen anbelangt, so zeigt 3B eine geeignete Variante.
• In der Ausführungsform von 3B verwendet die Master-Vorrichtung 240 den Referenzknoten 301 zum Vorspannen einer regelbaren Spannungsquelle 304, um das Sendesignal (mithilfe des Treibers 249) an den Signalanschluss zu liefern. Die Slave-Vorrichtung 200 benutzt einen Operationsverstärker 314, der als nicht invertierender Verstärker konfiguriert ist, wobei der invertierende Eingang des OPV mit einem Zwischenknoten 303 eines Spannungsteilers zwischen der Versorgungsspannung U_SUP, _SLAVE und der Ausgangsspannung des OPV gekoppelt ist. Der Spannungsteiler bewirkt nämlich, dass der OPV die Hälfte der Versorgungsspannung von der Eingangssignalspannung subtrahiert. Ein Analog-Digital-Wandler 224 digitalisiert den Ausgang des OPV.
• 3C zeigt eine Ausführungsform der Slave-Vorrichtung 200, die der von 3B ähnlich ist, jedoch mit einer Stromspiegelanordnung, die bewirkt, dass vom ADC-Eingang ein Strom gezogen wird, der proportional zur Hälfte der Versorgungsspannung ist, selbst wenn dem ADC-Eingang über den Widerstand R ein Strom zugeführt wird, der proportional zur Eingangssignalspannung ist. Somit gibt es viele mögliche Implementierungen der semi-differentiellen Signalisierungstechnik und der semi-differentiellen Erfassungstechnik.
• Die zugrunde liegenden Prinzipien verallgemeinernd zeigt 3D noch eine weitere Ausführungsform der Master- und Slave-Vorrichtungen, wobei der Knoten 301 eine Master-Referenzspannung in der Mitte zwischen der Versorgungsspannung und Masse bereitstellt. Element 307 ist ein analoger Summierer geeigneter Implementierung und Element 249 ist ein Puffer mit einem Verstärkungsfaktor Eins, der eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz (z. B. etwa 1 Ohm) bietet. Element 309 ist ein DSI3-Leitungsstrommesswiderstand mit einer entsprechend niedrigen Impedanz (z. B. 5 Ohm), Element 250 ist ein Differenzverstärker, der den Spannungsabfall über dem Widerstand 309 (verursacht durch DSI3-Leitungsstrom vom Slave-Sender 214) auf eine für den ADC 252 geeignete Spannung verstärkt. Element 218 ist ein optionaler Puffer mit einem Verstärkungsfaktor Eins, der wiederum eine hohe Eingangsimpedanz bietet, um die Last der DSI3-Leitung zu minimieren. Element 308 ist ein analoger Subtrahierer geeigneter Implementierung. Der Knoten 303 stellt eine Slave-Referenzspannung in der Mitte zwischen der Versorgungsspannung und Masse bereit.
• Da der DSI3-Standard keine spezifische Vorspannung (oder Referenzspannung) für die Signalleitung erfordert, können die durch 3A-3D repräsentierten Ausführungsformen die physikalische Kompatibilität mit dem DSI3-Standard wahren und können wahlweise die Vorspannungen und Referenzspannungen anpassen, um die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung, mit der sie gekoppelt sind, unterzubringen. Wenn sowohl die Master- als auch die Slave-Vorrichtung die Verwendung semi-differentieller Signalisierung unterstützen, können sie derart konfiguriert sein, dass eine solche Signalisierung verwendet wird, um die Systemleistung zu verbessern.
• Diese und zahlreiche weitere Modifikationen, Äquivalente und Alternativen werden für den Fachmann ersichtlich, nachdem die vorstehende Offenbarung völlig verstanden ist. Die folgenden Ansprüche sollen so interpretiert werden, dass sie gegebenenfalls alle derartigen Modifikationen, Äquivalente und Alternativen einbeziehen.

Claims (11)

1. Master-Vorrichtung, die mit einer Slave-Vorrichtung über einen Bus koppelt, der mindestens eine Stromversorgungsleitung, eine Stromrückführungsleitung und eine Signalleitung aufweist, wobei die Master-Vorrichtung umfasst: einen Stromversorgungsknoten und einen Stromrückführungsknoten, die mit der Stromversorgungsleitung bzw. der Stromrückführungsleitung verbunden sind, um die Slave-Vorrichtung mit Strom zu versorgen; einen Signalknoten, der mit der Signalleitung verbunden ist; und einen Treiber, der den Signalknoten in Bezug auf eine Referenzspannung in der Mitte zwischen den Spannungen des Stromversorgungsknotens und des Stromrückführungsknotens treibt.
2. Master-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Treiber Teil eines Transceivers ist, der die physikalische Kompatibilität mit dem DSI3-Standard (Distributed System Interface-Standard der 3. Generation) wahrt und gleichzeitig eine semi-differentielle Signalisierung unterstützt, wenn er in Verbindung mit einer kompatiblen Slave-Vorrichtung benutzt wird.
3. Master-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, ferner einen Spannungsteiler umfassend, der die Referenzspannung aus den Spannungen des Stromversorgungsknotens und des Stromrückführungsknotens ableitet.
4. Slave-Vorrichtung, die mit einer Master-Vorrichtung über einen Bus koppelt, der mindestens eine Stromversorgungsleitung, eine Stromrückführungsleitung und eine Signalleitung aufweist, wobei die Slave-Vorrichtung umfasst: einen Stromversorgungsknoten und einen Stromrückführungsknoten, die mit der Stromversorgungsleitung bzw. der Stromrückführungsleitung verbunden sind, um Strom aus der Master-Vorrichtung zu empfangen; einen Signalknoten, der mit der Signalleitung verbunden ist; und einen Empfänger, der eine Spannung des Signalknotens in Bezug auf eine Referenzspannung in der Mitte zwischen den Spannungen des Stromversorgungsknotens und des Stromrückführungsknotens erfasst.
5. Slave-Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Empfänger Teil eines Transceivers ist, der die physikalische Kompatibilität mit dem DSI3-Standard (Distributed System Interface-Standard der 3. Generation) wahrt und gleichzeitig eine semi-differentielle Signalisierung unterstützt, wenn er in Verbindung mit einer kompatiblen Master-Vorrichtung benutzt wird.
6. Slave-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, ferner einen Spannungsteiler umfassend, der die Referenzspannung aus den Spannungen des Stromversorgungsknotens und des Stromrückführungsknotens ableitet.
7. Slave-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Empfänger einen Analog-Digital-Wandler einschließt, der die Referenzspannung als Nullpunkt verwendet.
8. Slave-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Empfänger einen Differenzverstärker einschließt, an dessen Eingänge die Referenzspannung und die Spannung des Signalknotens gekoppelt sind.
9. Slave-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Empfänger einen Differenzverstärker mit einer Impedanzkonfiguration einschließt, welche die erfasste Signalknotenspannung um die Hälfte der Spannung des Stromversorgungsknotens verschiebt.
10. Kommunikationssystem, umfassend: eine Slave-Vorrichtung; und eine Master-Vorrichtung, die mit der Slave-Vorrichtung über einen Bus gekoppelt ist, der mindestens eine Stromversorgungsleitung, eine Stromrückführungsleitung und eine Signalleitung aufweist, wobei die Master-Vorrichtung umfasst: einen Stromversorgungsknoten und einen Stromrückführungsknoten, die mit der Stromversorgungsleitung bzw. der Stromrückführungsleitung verbunden sind; einen Signalknoten, der mit der Signalleitung verbunden ist; und einen Treiber, der den Signalknoten in Bezug auf eine Referenzspannung in der Mitte zwischen den Spannungen des Stromversorgungsknotens der Master-Vorrichtung und des Stromrückführungsknotens der Master-Vorrichtung treibt; wobei die Slave-Vorrichtung umfasst: einen Stromversorgungsknoten und einen Stromrückführungsknoten, die mit der Stromversorgungsleitung bzw. der Stromrückführungsleitung verbunden sind; einen Signalknoten, der mit der Signalleitung verbunden ist; und einen Empfänger, der eine Spannung des Signalknotens in Bezug auf eine Referenzspannung in der Mitte zwischen den Spannungen des Stromversorgungsknotens der Slave-Vorrichtung und des Stromrückführungsknotens der Slave-Vorrichtung erfasst.
11. Kommunikationssystem nach Anspruch 10, wobei die Stromrückführungsleitung an nicht mehr als einem Punkt mit Masse verbunden ist, um sicherzustellen, dass der Stromfluss durch die Stromversorgungsleitung durch die Stromrückführungsleitung zurückfließt.

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