DE2541770C2

DE2541770C2 - Datenübertragungsanordnung mit Oberflächenwellenfiltern

Info

Publication number: DE2541770C2
Application number: DE2541770A
Authority: DE
Inventors: William Karl Stelzenmuller; Ernest Lee Poughkeepsie N.Y. Walker
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-01-09
Filing date: 1975-09-19
Publication date: 1982-02-18
Also published as: DE2541770A1; US3985968A; JPS5190511A; FR2297527B1; FR2297527A1; GB1518956A

Description

a) Eine Vielzahl auf einem gemeinsamen Substrat (31,37) angeordneter akustischer Oberflächenwellenfilter (32, 38), denen jedem einzelnen codierte Signale von einer Vielzahl von Signalquellen zuführbar sind, wobei im Substrat (31,37) aufgrund zugeführter Signale aksistische Oberflächenwellen erzeugt werden, die eine als Summe aus Einzelwellen zusammengesetzte ErgebnisweJle bilden.

b) Ein ebenfalls auf dem vorgenannten Substrat (31, 37) angeordnetes Ausgangsfilter (34, 36), welches die zusammengesetzte Ergebniswelle aufnimmt und in ein elektrisches Signal umwandelt, das über ein gemeinsames Übertragungsmedium (Kabel 35) der Empfangsstation zuführbar ist

2. Datenübertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß in der Empfangsstation eine gleichartige, jedoch der Sendestation gegenüber spiegelbildliche Filteranordnung vorgesehen ist,

daß das in der Sendestation als Ausgangsfilter (34) benutzte Filter in der Empfangsstation einem gemeinsamen Eingangsfilter (36) entspricht,
daß das empfangene elektrische Signal vom Übertragungsmedium (Kabel 35) dem gemeinsamen Eingangsfilter (36) zugeführt wird und dabei auf dem empfangsseitigen Substrat (37) wiederum eine akustische Oberflächenwelle ausbildet, die im wesentlichen der auf dem sendeseitigen Substrat (31) erzeugten Ergebniswelle gleicht, und
daß die Vielzahl der auf dem empfangsseitigen Substrat (37) neben dem gemeinsamen Filter (36) aufgebrachten akustischen Oberflächenwellenfilter (38) aus der erzeugten Oberflächenwelle einzelne elektrische Signale ableitet, die den der Vielzahl sendeseitiger Filter (32) zugeführten codierten Signalen entsprechen, und diese Signale empfangsseitig einzeln abnehmbar macht, wobei gleichzeitig mit der vorbeschriebenen Informationsübertragung in der einen Verkehrsrichtung die Informationsübertragung in entgegengesetzter Verkehrsrichtung über dieselben Filteranordnungen auf den Substraten (37,31) durchführbar ist.

3. Datenübertragungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens auf der einen Seite der Übertragungsanordnung Schnittstellentreiber und/oder Schnittstellenempfänger oder Kombinationen von Treibern und Empfänger zwischen den Nutzsignalkreisen und den einzelnen Filtern (32, 38) vorgesehen sind.

4. Datenübertragungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß Schaltglieder (30,40) mit sperr- und offenbaren Toreigenschaften zwischen den Nutzsignalkreisen (Quellen und Empfängern) und den Filtern (32, 38)

angeordnet sind und

daß mindestens einem der vorgesehenen Filter (I_a 7'c) die Übermittlung von Taktinformationen zur zeitselektiven Toröffnung der Schaltglieder (30, 40) und zur Aufrechterhaltung der Synchronisation zwischen sende- und empfangsseitigen Substratschaltkreisen vorbehalten ist

5. Datenübertragungsanordnung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltglieder (30, 40) mit Toreigenschaften und die Schnittstellentreiber und/oder Schnittstellenempfänger als mit Torsignalen offenbare Treiber bzw. Empfänger oder Kombinationen dieser beiden ausgebildet sind.

6. Datenübertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Code für die Taktinformationen ein Barker-Code verwendet wird.

7. Datenübertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Folgefrequenz der Datencodes ein ganzzahliges Vielfaches der Folgefrequenz des Taktcodes ist.

8. Datenübertragungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Datencodes die nachstehenden Codefolgen verwendet werden:

1 -1 -1 -1

-1 1 -1 -1

-1 -1 1 -1

-1 -1 -1 1

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Datenübertragungsanordnung mit Oberflächenwellenfiltern zur Übermittlung von Informationen, die in einem oder mehreren Nachrichtensignalen zwischen einer Sendestation und einer Empfangsstation enthalten sind, entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Dabei werden Anordnungen angesprochen, die

akustische Oberflächenwellenfilter zur Multiplexierung verwenden.

Nach dem Stande der Technik sind Anordnungen bekannt, die selektive Filter zur Übermittlung codierter Daten und vergleichbare Filter bei der Decodierung und Wiedergewinnung der ursprünglichen Daten verwenden. Die Verwendung angepaßter Filter ermöglicht die

gleichzeitige störungsfreie Übertragung verschiedener Datenfolgen.

In der US-PS 35 50 045 ist die Verwendung akustischer Oberflächenwellenfilter für Datenübertragungsanordnungen beschrieben worden. Dabei wird jedoch ein Pulscodemodulator zur Multiplexierung von akustischen Oberflächenwellenfiltern herkommender Signale vor deren Eingabe auf ein gemeinsames koaxiales Übertragungskabel verwendet. Ein Pulscodedemudulator auf der Empfangsseite wandelt die

bo empfangenen Signale um und deserialisiert sie zur Weitergabe über angepaßte nachgeschaltete Filter. Dabei lehrt die genannte Patentschrift nicht die Verwendung eines akustischen Oberflächeriwellenfilters als Multiplexer oder Demultiplexer.

_b5 Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer akustischen Oberflächenwellenanordnung zur Filterung und Multiplexierung in einem mehrkanaligen Übertragungssystem; dabei sollen digi-

tale Informationen über beliebige Kombinationen von Datenkanälen gleichzeitig in beiden Verkehrsrichtun- ■ gen über ein gemeinsames Übertragungsmedium multiplex übertragbar sein.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die beschriebene Lösung verwendet die Ausnutzung eines Satzes von Codes, die eine gute Autokorrelation aufgrund der Filteranpassung an die verwendeten Signalfolgen und nur eine geringe Kreuzkorrelation zu nicht zugehörigen nichtangepaßten Filtern aufweisen. Es werden Codes verwendet, bei denen die Überlagerung einer gegebenen Codekombination einen Ergebniscode ergibt, der wiederum in zugeordneten Filtern r> korreliert, nicht aber in allen nicht zugeordneten Filtern.

Ein beschriebenes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung enthält für jeden vorgesehenen Eingangskanal ein angepaßtes Filter, das auf einer geeigneten akustisch wirksamen Oberfläche angeordnet ist. Die von den einzelnen Kanälen in den zugehörigen Filtern erzeugten akustischen Wellen werden für die Eingabe auf ein gemeinsames Kabel durch einen gemeinsamen Ausgangswandler multiplexiert, der seinerseits mit auf der akustischen Oberfläche angeordnet ist, welche die 2j einzelnen Wellen ausbildet, und sie zu einem gemeinsamen Ausgangssignal zusammenfaßt

Das so erzeugte Signal ist umgekehrt zwecks Wiedergewinnung der ursprünglichen Signale rückwandelbar mit Hilfe einer zweiten akustischen Oberfläciienwelleneinrichtung, die spiegelbildlich der vorbeschriebenen akustischen Einrichtung der Sendeseite entspricht. Dabei bildet die Einrichtung auf der Empfangsseite eine Vorkehrung zur Aufnahme des über das Kabel übermittelten Signals und zu dessen Auswertung, die r> wiederum der Signalkomposition der einzelnen Kanäle auf der Sendeseite entspricht Das ankommende Signal wird demultiplexiert mit einzelnen für die Kanäle ausgelegten Filtern, die ihrerseits das Spiegelbild der einzelnen zugeordneten Filter auf der Sendeseite sind.

Es wird des weiteren ein Taktkanal angegeben, der mit Hilfe angepaßter Filter von der Sende- zur Empfangsseite Taktinformationen übermittelt.

Die vorliegende Erfindung bildet ein vorzügliches Hilfsmittel bei der Ausführung von Eingabe/Ausgabefunktionen, wie z. B. über die Komponentenverdrahtung in Computersy.stemen, in denen bei kompakter integrierter Schaltkreisauslegung Grenzen für die Zahlen verfügbarer Ausgangspunkte gegeben sind.

Gleichzeitig ist die Codierung und Decodierung >o übermittelbarer Informationen auf beiden Seiten möglich. Die Übertragung multipler Signale über ein gemeinsames Kabel ist bei einem Minimum von Störungsanfälligkeit und Übersprechen ausführbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

F i g. 1 die perspektivische Darstellung eines akustischen Oberflächenwellenfilters, welches durch Aufbrin- ω gung von Mustern ineinandergreifender Leiterzüge auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Kristalls gebildet ist,

Fig. 2a bis c eine schematische Darstellung und Wellenformen auf einem Eingangswandler und einem μ Ausgangswandler der akus»ischen Oberflächenwellenbauart,

F i g. 3a bis f Zeitschaubilder verschiedener Ausbil-

40

■r, dungen akustischer Wellenwandler und -Empfänger, die das Ansprechen einzelner Filtermuster auf verschiedene Eingangssignalfolgen erläutern,

Fig.4 die Blockdarstellung eines typischen Computersystems, für das die vorliegende Erfindung geeignet ist,

Fig.5 die Blockdarstellung eines Datenübertragungssystems mit doppelt gerichtet ausgenutzten vier Kanälen und

F i g. 6 die Blockdarstellung für die Ausbildung eines Systems gemäß Fig.5 unter Anwendung akustischer Oberflächenwelleneinrichtungen.

Entsprechend F i g. 1 wird ein akustisches Oberflächenwellenfilter durch die Aufbringung eines Musters ineinandergreifender Leiter 10 und 12 auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Kristalls 14 aus z. B. Quarz oder Lithiumniobat gebildet Das einfachste Filter besteht aus paarig ineinandergreifenden Fingerleitern, die als Eingangs- und Ausgangswandler benutzbar sind.

F i g. 2 zeigt einen Eingangswandler 16, der mit einer Spannung V, beaufschlagt wird. Ein elektrisches Feld entsteht zwischen den Fingern 18 und 20 und bewirkt dabei eine physikalische Störung in der Kristalloberfläehe. Diese Störung akustischer Art breitet sich auf der Kristalloberfläche wie eine Wasserwelle in ±Z-Richtungen aus. Wenn die +Z-Komponente der übertragenen Welle den Ausgar.gswandler 22 erreicht, wird eine Spannung V₀ an den. Ausgangsklemmen aufgrund des die akustische Welle begleitenden elektrischen Feldes ausgebildet.

F i g. 3a zeigt das Signal am Ausgang, wenn zwei Fingerpaare im Ausgangswandler mit gleichartiger Phasenanordnung zueinander vorgesehen sind; F i g. 3b zeigt das Signal am Ausgang, wenn die beiden Fingerpaare um 130° phasenversetzt aufgebracht sind. Die F i g. c bis 3f -zeigen die Wandlerausgangssignale des Filters gemäß F i g. 3b bei verschiedenen Eingabcsignalfolgen. Dabei ist zu bemerken, daß die Ausgangssignale gemäß 3d und 3e in ihren mittleren Bereichen Signale ergeben, die zweimal so groß sind wie die Signale auf den beiden Seiten daneben.

Die beiden in F i g. 3d und 3e gezeigten Fälle sollen als echter und komplementärer Autokorrelationsverlauf bezeichnet werden. Dabei muß beachtet werden, daß die Eingangsfolge des Eingangswandlers in F i g. 3d +1 und -1 ist und die Codefolge der Ausgangswandler in beiden Fällen +1 und — 1, wohingegen die Eingangsfolge in 3e — 1 und +1 ist. Wenn die Eingangsfolge der Folge des Ausgangswandlers gleicht, ergibt sich das echte Autokorrelationsergebnis; wenn der Eingangscode dagegen dem Komplement des Ausgangswandlers entspricht, ergibt sich die komplementäre Autokorrelation. Diese Grundkonzepte werden durch die vorliegende Erfindung ausgenutzt zur Entwicklung eines Systems codierter Kanäle für die Mehrfachkanalübertragung.

Nun weiter zur F i g. 4. In großen Computersystemen sind häufig große Datenmengen von einigen hundert Bytes zwischen einzelnen Baugruppen zu übertragen. Solche Vorgänge sind z. B. die Regel zwischen einer Zentraleinheit und verschiedenen Speicherebenen. Fig.4 zeigt das vereinfachte Modell einer hierarchischen Speicherorganisation. Die Kanalbreite von acht Bytes zwischen den einzelnen Speicherebenen spielt eine wichtige Rolle für die Leistungsfähigkeit des Systems. Wenn die Zentraleinheit Daten aus dem Speicher L 2 anfordert, wird in der Regel eine größere Datenmenge von L 2 an die Zentraleinheit abgegeben.

Da die Gesamtzahl zur Zentraleinheit zu übermittelnder Informationsbytes über eine begrenzte Kanalbreite (von gewöhnlich acht Bytes) übertragen werden muß, sind nacheinander mehrere einzelne Arbeitszyklen erforderlich. Wenn der Kanal vier mal so viel Daten pro Zyklus wie gegeben übertragen könnte, würde die Leistungsfähigkeit des Systems erheblich verbessert.

Auf der Grundlage einer akustischen Oberflächenwellenanordnung als relativ wirtschaftlicher Weg zur Filterung beim Multiplexieren und umgekehrt wird eine gleichzeitige Mehrkanalübertragung möglich. F i g. 5 zeigt einen doppeltgerichteten vierkanaligen Datenverkehrsweg. Die Anforderungen an ein solches System sind die folgenden:

1. Senden und Empfang digitaler Informationen in beliebiger Kombination über die vier Kanäle in beiden Richtungen über eine einzige gemeinsame Leitung.

2. Senden und Empfang über alle Kanäle soll gleichzeitig ohne Serialisierung möglich sein.

Zur Erfüllung der vorgenannten Bedingungen ist das Auffinden eines Codesatzes erforderlich, der eine gute Autokorrelation zwischen Signalfolgen und zugehörigen Filtern und nur eine geringe Kreuzkorrelation zwischen Signalfolgen und nicht zugehörigen Filtern aufweist Da über alle Kanäle in der gleichen Arbeitszykluszeit gesendet und empfangen werden soll, ist es zusätzlich erforderlich, daß bei Überlagerung jo beliebiger vorkommender Codekombinationen echte Autokorrelation in den jeweils zugehörigen Filtern und Abweisung in allen anderen Filtern gewährleistet ist.

Ein solcher Codesatz ist für beliebige Kanalzahlen, die ein Vielfaches von vier sind, gefunden worden. Für vier Kanäle sind diese Codes:

(-1, -1, 1, -1)

Diese Codes lassen sich in Matrixform wie folgt schreiben:

M =

1 -1 -1 -1

-1 1 -1 -1

-1 -1 1 -1

-1 -1 -1 1

C₁ =

4 0 0 0

0 4 0 0

0 0 4 0

0 0 0 4

Autokorrelation jedes Signals mit dem Filter gleicher Nummer bei i=j vier ist und null für alle anderen bei i¥=j. Nun sollen diese Definitionen auf den allgemeineren Fall mit gleichzeitig übertragenen Mehrfachkanälen angewandt werden.

Es wird definiert C_n=S_nF, worin S_n die Signalmatrix aller Kombinationen von η gleichzeitig übertragenen Kanälen ist. Si verbleibt wie vorstehend beschrieben und die weiteren 5 sind:

S₂ =

50

Nan seller, irr. Abschluß die folgenden Matrizen definiert werden: Si = Af, F=KP als transponierte vorstehende Matrix Mund G = SiFaIs Matrixprodukt Dabei ergibt sich für G:

60

Darin ist S-, die Signalmatrix der einzeln übertragenen Kanäle, Fdie Filtermatrix und G die echte Autokerrelationsmatrix. Wenn die Zeilen von Q ab Signalfolgezahlen (Ο und dte Spalten von G als Fflterzahlen Q) gewertet werden, ist leicht einzusehen, daß die echte

20

25

0	0	η	-2
0	-2	0	-2
0	-2	-2	0
-2	0	0	-2
-2	0	-2	0
-2	-2	0	0
-1	-1	-1	-3
-1	-1	-3	-1
-1	-3	-1	-1
-3	-1	-1	-1

-2 -2 -2 -2

Die weiteren C sind:

4 4 0 0

4 0 4 0

4 0 0 4

0 4 4 0

0 4 0 4

0 0 4 4

C₃ =

C₄ =

4 4 4 0

4 4 0 4

4 0 4 4

0 4 4 4

4 4 4 4

Die Matrizen lassen erkennen, daß jede Kombination so übertragener Kanäle korrekt empfangbar ist

Es ist darauf hinzuweisen, daß C_n der Wert des Filterausgangssignals in der Mitte der gewonnenen autokorrelierten Folge ist. Die Verläufe auf den Seiten daneben in den einzelnen Kanälen sind allgemein sehr hoch und könnten ein falsches Ergebnis zeitigen, wenn die Schnittstellenschaltkreise diese Verläufe auf den beiden Seiten auswerten könnten. Um dieses Problem zu lösen, müssen die Schnittstellenschaltkreise getaktet und dabei zu geeigneten Zeitpunkten ein- und ausgeschaltet werden. Die Taktgabe wird mittels eines weiteren Kanals erzielt, über den das Taktsignal übermittelt wird. Der Taktcode wird als Barker-Code gewählt Da der Taktcode dann nicht zu dem Satz der vorbeschriebenen Codes für die Datenkanäle gehört, genfigt er nicht den Oberlagerungs- und Autokorrelationsanforderungen des Datencodesatzes. Um die Übermittlung des Taktcodes zu erleichtern, werden die Frequenzen der Datenkanalcodes als ganzzahliges

Vielfaches der Frequenz des Taktcodes gewählt. Dabei lassen alle über die Datenkanalfilter gesendeten, am Taktfilter ankommenden Signale keine Spannung im Taktkanal entstehen.

Um den Takt ebenfalls in der gewählten Matrixform darzustellen, wird der Taktcode am Ende der einzelnen Zeilen der Matrizen für S_n und F angegeben. Die Matrizen sehen nun wie folgt aus:

.-) x A'

= I κ κ - κ j

S, =

I	I I	-I	I I	A
-1	I	-1	-1	A
-1	I	1	1 ~~ 1	A
-1	-I	-1	I	A
O	O	-2	-2	A
O	-2	O	-2	A
O	-2	-2	O	A
-2	O	O	-2	A
-2	O	-2	O	A
-2	-2	O	O	A
-I	-1	-1	-3	A
-1	-I	-3	-I	A
-I		-1	-1	A
-3	-1	-1	-1	A

S₄ = -2 -2 -2 -2 A

0 0 0 0/1

1 -1 -1 -1 0
-1 1-1-10
-1 -1 1 -1 0
-1 -1-1 10

r·

C, =

A¹ 4 0 0 0

A² 0 4 0 0

A² 0 0 4 0

A² 0 0 0 4

A ist die Barker-Folge mil einer beliebigen Amplitude von K Einheiten. Die erforderliche Amplitude von A wird später bestimmt Es ist zu beachten, daß Q das gleiche ist wie vorbeschrieben, jedoch mit der zugesetzten Taktautokorrelationsspalte. Dies gilt auch für alle weiteren C_n. Die neue Interpretation von Ci ist derart, daß das Taktfilter in der ersten Spalte echte Autokorrelation mit allen Folgen mit den Werten A² ergibt, zu denen auch gleichzeitig echte Autokorrelation in den Datenkanälen herrscht

Wenn A=K, K, —Kim einen Barker-Code mit der Amplitude K ist, dann muß sein

A²=Ax AT=A,

wenn die Detektorschaltkreise für den Takt- und die Datenkanäle dieselben sind. Daher ist:

-K

= 3 K²

Von den Barker-Codes ist bekannt, daß ihre höchste Verlaufsamplitude K² ist, wobei sich ein Signal/Rauschverhältnis 3 :1 ergibt. Zurück zur Angabe des Wertes von A²:

oder

Γι F i g. 6 stellt ein Gesamtsystem dar und erläutert die Ausführung der Filter samt dem Taktkanal.

Eine Anordnung mehrerer Schnittstellentreiber- und -empfänger /ι bis /4 empfangen und senden Daten von Quellen bzw. zu Empfängern. Jeder Treiber ist einem fingerigem Filter 32 der beschriebenen Art zugeordnet, das seinerseits auf einem Substrat 31 aufgebracht ist. Ein gemeinsames Ausgangsfilter 34 ist des weiteren auf dem genannten Substrat aufgebracht zur Konzentration der akustischen Oberflächenwellen und Einspeisung in ein

2) gemeinsames Kabel 35, das das vorgenannte Substrat mit einem weiteren Substrat 37 verbindet. Auf diesem Substrat 37 ist ein gemeinsames Filter 36 und wiederum eine Anordnung mehrerer Filter 38 vor zugeordneten Ausgangstreibern 40 angeordnet Des weiteren sind auf

in beiden Substraten je ein Taktempfänger/Treiber /_t angeordnet, dem auf beiden Seiten separat ein Takteingangssignal zwecks Erzeugung eines Torsignals auf der Leitung 33 für das Substrat 31 und eines Torsignals auf der Leitung 39 für das Substrat 37

i") zugeführt werden. Diese Taktsignale dienen zur Öffnung der Schnittstellentreiber und zur Gewährleistung von Synchronismus zwischen den beiden Substraten. Zum Beispiel gelangen die über die Dateneingangsleitung des Schnittstellentreibers /1 empfangenen Daten zum Filter 32 und erlauben die Ausbildung akustischer Oberflächenwellen auf dem Substrat 31. Diese Wellen werden über das Substrat übermittelt und durch das gemeinsame Ausgangsfilter 34 auf der linken Seite aufgenommen, das seinerseits das Kabel 35 speist. Das

r, Kabel 35 verbindet das linke Substrat 31 mit dem rechten Substrat 37. Die Filter auf dem Substrat 37 sind das genaue Spiegelbild derjenigen auf dem Substrat 31. Das gemeinsame Filter 36 bekommt das übertragene Signal zugeführt und bildet eine akustische Oberflä-

vi chenwelle auf dem Substrat 37 aus, die wiederum der Welle auf dem Substrat 31 für dasselbe betrachtete Signal gleicht Nur eines der zugehörigen Filter auf dem Substrat 37 entspricht dem Code des Filters 32. Dieses ist das Filter 38. Weil dessen Leitermuster das Spiegelbild des Leitermusters des Filters 32 ist, korreliert die übermittelte Signalfolge mit dem Filter 38, nicht aber mit den anderen nicht angepaßten Filtern. Ein Ausgangssignal ergibt sich dabei im Schnittstellentreiber /1', das dem auf der Sendeseite über den Schnittstellentreiber I₁ eingegebenen Eingangssignal entspricht Dies gilt, insofern die übermittelten Codesätze mit den vorstehend spezifizierten Codes übereinstimmen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Datenübertragungsanordnung mit Oberflächenwellenfiltem zur Übermittlung von Informationen, die in einem oder mehreren Nachrichtensignalen zwischen einer Sendestation und einer Empfangsstation enthalten sind, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale: