DE2919737A1

DE2919737A1 - Verfahren und system zur informationsuebertragung

Info

Publication number: DE2919737A1
Application number: DE19792919737
Authority: DE
Inventors: Lars Herman Gustav Philipson
Original assignee: HANSSON GERT-AKE GUDMUND
Current assignee: HANSSON GERT-AKE GUDMUND
Priority date: 1978-05-25
Filing date: 1979-05-16
Publication date: 1979-11-29
Also published as: US4184045A; GB2021904B; SE7904177L; FR2426948A1; GB2021904A; JPS54154209A

Description

Die Erfindung befasst sich allgemein·mit der Uebertragung von digitaler Information und bezieht sich in erster Linie auf ein Verfahren und ein System zur seriellen üebertragung binärer Signale, d.h. binär kodierter Infor- . mation.

Zur sog. Modemübertragung digitaler Information über eine Zweileiterverbindung sind mehrere Standardmethoden bekannt. Bei üebertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 1200 Baud benutzt man die Frequenzwechselmodulation, während bei Uebertragungsgeschwindigkeiten über diesem Wert die differenzielle Phasenwechselmodulation, ggfi in Verbindung mit Amplitudenmodulation, verwendet wird.

Die höchste für Zweileiterverbindungen standardisierte üebertragungsgeschwindigkeit beträgt 48 Kilobaud (vgl. die CCITT Empfehlung V35). Hierzu sind verhältnismässg komplizierte Sender und Emfanger mit u.a. automatisch adaptivem Ausgleich der Charakteristik des Uebertragungskanals erforderlich. Um den Synchronismus zwischen Sender und Empfänger aufrechterhalten zu können, muss ausserdem das sog.

Scrambling herangezogen werden, das für einen genügend dichten Bitwechsel bürgt.

Mit Hilfe von Trägerfrequenzsystemen können bedeutend höhere Uebertragungsgeschwindigkeiten als die oben genannten· erzielt werden. Derartige Systeme verlangen jedoch sowohl auf der Senderseite wie auf der Empfängerseite komplizierte Ausrüstungen und auch teurere Leitungen;■beispielsweise Koaxialkabel.

Erfindungsgemäss wird die Üebertragung binärer Information dadurch zustandegebracht, dass auf dem einen oder anderen zweier Leiter ein periodisches Signal entsprechend der zu übertragenden Information gesandt wird. Vorzugsweise wird die Bitgeschwindigkeit der Information mit der Frequenz des periodischen Signals synchronisiert, so dass für jedes Bit der binären Information eine Periode des periodischen Signals auf dom einen oder dem anderen Leiter gesandt wird, und zwar in Abhängigkeit davon, ob das Bit eine logische "1" oder eine logische "0" ist. Es ist jedoch durchaus

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möglich, für jedes Bit mehrere Perioden des periodischen Signals zu senden.

Die Erfindung ist in einfacher Weise durchführbar und ermöglicht die üebertragung digitaler Information mit hoher üebertragungsgeschwindigkeit unter Verwendung eines einfachen Zweidrahtleiters, wobei eine beträchtliche Unempfindlichkeit gegen äussere Störungen aufrechterhalten werden kann. Diese üebertragung erfolgt über mittellange Strecken; beispielsweise hat die üebertragung bei Versuchen mit einer Geschwindigkeit der Grössenordnung 1 Mbaud auf einer gewöhnlichen, mit Kunststoff isolierten Fernsprechleitung einer simulierten Länge von 10 km stattgefunden. Die Erfindung eignet sich vor allem zum Informationsaustausch zwischen Computer und peripherer Einheit, beispielsweise Bildschirmgerät und Datenerfassungseinheit, sowie zwischen Computern. Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. la, Ib ein Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsmässlgen Systems, Fig. 2 im System gemäss Fig. 1 auftretende Signalwellenformen ,

Fig. 3a, 3b, 3c und 3d ein Schaltbild einer Ausführungsform der in Fig. la gezeigten Sendereinheit, Fig. 4 in der Sendereinheit gemäss Fig. 3a-3d auf— tretende Signalwellenformen,

Fig. 5a, 5b und 5c ein Schaltbild einer Ausführungsform der in Fig. Ib gezeigten Empfängereinheit,

Fig. 6a, 6b in der Empfängereinheit gemäss Fig, 5a-5c auftretende Signalwellenformen,

Fig. 7a ein Blockschaltbild eines im erfindungsmässigen System verwendbaren, signalabgestimmten Filters, und Fig. 7b die Impulsantwort dieses Filters. Das in Fig. la, Ib gezeigte Uebertragungssystem gemäss der Erfindung umfasst eine Sendereinheit 1 und eine Empfängereinheit 2, die miteinander über zwei Leiter 3a, 3b galvanisch verbunden sind, die vorteilhafterweise aus einer gewöhnlichen, billigen und nicht geschirmten Zweidrahtleitung

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bestehen können. Wichtig ist nur, dass die Leiter einander verhältnismässig nahe liegen, vorzugsweise zueinander parallel sind, was am einfachsten mit einer Leitung erzielt ■ wird, in der die Leiter durch eine gemeinsame Isolierung im Verhältnis zueinander fixiert sind.

Die Sendereinheit 1 umfasst einen Sinuswellenoszillator 4, dessen Ausgang teils an den Eingang eines Taktimpulsgenerators 5 und teils an den Eingang zweier analoger Schalter 6a, 6b angeschlossen ist. Der Taktimpulsgenerator 5 hat einen ersten, mit dem Takteingang eines D-Flip-Flops 7 verbundenen Ausgang sowie einen zweiten Ausgang zur Steuerung der Eingabe der zu übertragenden Daten. Der Ausgang des D-Flip-Flops 7 ist mit dem Steuereingang der analogen Schalter 6a, 6b verbunden. Die beiden mit deri Leitern 3a, 3b verbundenen Ausgänge der Sendereinheit 1 sind über Steuerstufen 8a, 8b mit je einem der Ausgänge der analogen Schalter 6a, 6b verbunden.

In der Empfängereinheit 2 sind die beiden Leiter 3a, 3b teils mit zwei Eingängen eines Summenverstärkers 9 und teils mit zwei Eingängen eines Differenzverstärkers 10 verbunden. Der Ausgang des Summenverstärkers 9 ist über ein auf die Frequenz des Oszillators 4 abgestimmtes Bandpassfilter 11 einerseits mit einem Taktimpulsgenerator 12 und anderseits mit einem Eingang eines Phasendetektors 13 verbunden, dessen anderer Eingang an den Ausgang des Differenzverstärkers 10 angeschlossen ist.

Das in Fig. la, Ib veranschaulichte Uebertragungssystem arbeitet wie folgt.

Der Taktimpulsgenerator 5 erzeugt an seinen Ausgängen Vierkantimpulszüge derselben Frequenz wie das vom Oszillator 4 erzeugte Sinuswellensignal (Fig. 2-a), das die Uebertragungsgeschwindigkeit des Systems bestimmt. Die dem D-Flip-Flop 7 zugeführten Taktimpulse sind in Fig. 2-b gezeigt. Die Taktimpulse am anderen Ausgang des Taktimpulsgenerators 5 steuern die Eingabe von Daten in Serienform in das D-Flip-Flop 7, welches für gut definierte üebergänge zwischen den beiden Pegeln des Dateneingangssignals sorgt, die logische "0" bzw.

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logische "1" repräsentieren. Das Aussehen eines exemplifizierenden Datensignals nach Durchlauf des D-Flip-Flops 7 ist in Fig. 2-c gezeigt. Das Datensignal steuert die analogen Schalter 6a_f 6b. Wenn das Datensignal den logische "1" repräsentierenden Pegel hat, lässt also der Schalter 6a das Signal am Ausgang des Oszillators 4 durch, während dem Ausgang des analogen Schalters 6b Erdpotential aufgedrückt wird. Wenn das Datensignal den logische "0" repräsentierenden Pegel hat, lässt in entsprechender Weise der Schalter 6b das Ausgangssignal des Oszillators 4 durch, und dem Ausgang des Schalters 6a wird Erdpotential aufgedrückt. Die Steuerstufen 8a, 8b wirken als Puffer gegen die Leitung 3 und haben niedrige innere Impedanz. Die Wellenform der Signale an den Ausgängen der Steuerstufen 8a, 8b ist in Fig. 2-d bzw. 2-e gezeigt.

In der Empfängereinheit 2 erzeugt der Summenverstärker 9 an seinem Ausgang ein Signal, welches die Summe der auf den Leitern 3a, 3b übertragenen Signale darstellt. Dieses Summensignal hat nach Durchlauf des Filters 11 das in Fig.

2-f gezeigte Aussehen, d.h. es stimmt mit dem Sinuswellensignal des Oszillators 4 überein, weshalb der Taktimpulsgenerator 12 daraus einen Taktimpulszug in derselben Weise wie der Taktimpulsgenerator 5 erzeugen kann. Der Differenzverstärker 10 erzeugt seinerseits ein Signal (Fig, 2-g), welches die Differenz zwischen dem Signal auf dem Leiter 3a und dem Signal auf dem Leiter 3b darstellt. Der Phasendetektor 13, welcher die genannten Summen- und Differenzsignale empfängt, vergleicht sozusagen deren gegenseitige Phasenlage, welche anzeigt, ob eine logische "1" oder eine logische "0" gesandt worden ist, wobei das Ergebnis des Vergleichs am sichersten am Ende jeder Periode gelesen wird. Hierdurch wird das Datensignal erneut erzeugt; siehe Fig. 2-h. Die Taktimpulse am Ausgang des Generators 12 zeigen dabei an, wenn die Datenbits am Ausgang des Phasendetektors 13 zugänglich sind.

Wenn die Leiter 3a, 3b nahe und parallel zueinander verlaufen, werden alle äusseren Störungen in hauptsächlich

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identischer Weise auf beide der von den Leitern 3a, 3b übertragenen Signale einwirken. Wenn ferner der Differenzverstärker 10 ein hinreichend hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis hat, werden solche symmetrischen Störungen das Differenzsignal nicht beeinflussen. Das Bandpassfilter 11 beseitigt die Einwirkung dieser Störungen auf das Summensignal.

Die Kapazitanz zwischen den Leitern 3a, 3b setzt der üebertragungsgeschwindigkeit im oben beschriebenen System eine Grenze. Somit erhält man mit grosser werdender Ueber- . tragungsentfernung eine sukzessive Verminderung des Differenzsignals. Für einen gegebenen Leitungstyp nimmt mit anderen Worten die maximal brauchbare Üebertragungsgeschwindigkeit mit grosser werdender Uebertragungsentfernung ab.

Obgleich der Fachmann selbstverständlich einsieht, wie die in" Fig. la, Ib veranschaulichten Blöcke realisierbar sind, soll im folgenden im Anschluss an Fig. 3-4 eine kurze Darstellung einer besonderen und zur Zeit bevorzugten Realisierung gegeben werden, einschliesslich zweier alternativer Ausführungsformen des Phasendetektors 13.

Fig. 3a, 3c zeigen eine Kreislösung für den Oszillator 4 und den Taktimpulsgenerator 5, und Fig. 3b, 3d zeigen eine Kreislösung für den D-Flip-Flop 7, die analogen Schalter 6a, 6b und die Steuerstufen 8a, 8b. Die in Fig. 4 gezeigten Wellenformen A-H treten in den in Fig. 3a-3d mit denselben Buchstaben bezeichneten Punkten auf. Eine nähere Erklärung der Kreise in Fig. 3a-3d und deren Arbeitsweise dürfte nicht erforderlich sein.

Fig. 5a zeigt eine Kreislösung für die Verstärker 9 und 10, das Bandpassfilter 11 und den Taktimpulsgenerator 12. Fig. 5b, 5c zeigen eine Kreislösung für den Phasendetektor 13. Die in Fig. 6a, 6b gezeigten Wellenformen G-R treten in den in Fig. 5a-5c mit denselben Buchstaben bezeichneten Punkten auf.

Wie aus Fig. 5a hervorgeht, erfolgt die Summierung der auf den beiden Leitern 3a, 3b in den Empfänger 2 eintretenden Signale mittels zweier Resistoren, die an den Eingang eines

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keramischen Filters für die Frequenz des Sinuswellenoszillators 4 angeschlossen sind, im vorliegenden Falle 455 kHz, und der Ausgang dieses Filters ist an einen Operationsverstärker angeschlossen. Die übrigen Teile des in Fig. 5a gezeigten Kreises dürften keine nähere Beschreib-. ung erfordern.

Der in Fig. 5b, 5c veranschaulichte Phasendetektor 13 ist als ein Korrelator realisiert und umfasst eine analoge Multipliziereinrichtung 13a, die das Summensignal I und das Differenzsignal J empfängt und das Produktsignal M bildet, das einem Integrator 13b zugeführt wird. Ein zweiter Integrator 13c integriert ein einstellbares Gleichspannungsreferenzsignal. Ein Rückstellsteuerkreis 13d umfasst ein monostabiles Flip-Flop, das die Ausgangsimpulse L des Taktimpulsgenerators 12 zwecks Erzeugung eines kurzen Impulses N am Ende jeder vom empfangenen Suimiensignal definierten Periode empfängt. Diese kurzen Impulse N steuern einen Rückstellkreis 13e zur Rückstellung der Integratoren 13b, 13c. Die Ausgänge der Integratoren 13b, 13c sind an je einen Eingang eines Komparators 13f angeschlossen, dessen Ausgang an den Eingang eines D-Flip-Flops 13g angeschlossen ist, dessen Takteingang die Taktimpulse L vom Generator 12 zugeführt werden. Dabei wird das D-Flip-Flop 13g entsprechend dem Ausgangssignal des Komparators 13f unmittelbar vor der Rückstellung der Integratoren 13b, 13c eingestellt. In dieser Weise wird das Datensignal, um eine Periode verzögert, am Ausgang des D-Flip-Flops 13g wiederhergestellt.

Der oben beschriebene, als Phasendetektor 13 ausgenutzte

Korrelator gründet sich auf eine Phasenlagenbestimmung mit

T Hilfe eines Korrelationsintegrals vom Typ _Q/ y(t)s{t)dt_f wobei der Wert des Integrals am Ende jeder Periode, d.h. t = T, des ausgesandten Signals ausgenutzt wird. Im vorliegenden Falle wird das Differenzsignal J als y(t) ausgenutzt, und das Summensignal I kann als s(t) ausgenutzt werden, da die logische "1" bzw. logische "0" repräsentierenden Teile des Differenzsignals I antipodal sind oder gegensinnig verlaufen.

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Wie aus Fig. 7a hervorgeht, kann der. Wert des Korrelationsintegrals alternativ mittels eines signalabgestiiranten Filters mit einer Impulsantwort (siehe Fig. 7b) bestimmt werden, welche als eine Periode des Ausgangssignals des 5 Oszillators 4 angesehen werden kann, widerspiegelt in der y-Achse und dann um eine Periode phasenverschoben. Ein solches Filter kann - wenn das Ausgangssignal des Oszillators 4 ein sinusförmiges Signal ist - mittels eines LC-Kreises 14 und eines Differenzbildners 15 realisiert werden, der die Differenz zwischen dem direkten Ausgangssignal des LC-Kreises 14 und demselben Ausgangssignal, verzögert von einem Verzögerungskreis 16 um die Periode (T) des ausgesandten Signals, bildet. Das Ausgangssignal des Differenzbildners 15 wird von einem Komparator 17 mit Erdpotential verglichen und das Ausgangssignal des Komparators 17 lässt man am Ende jeder Periode den Zustand eines D-Flip-Flops 18 steuern. Hierdurch wird auch in diesem Falle das Datensignal, verzögert um eine Periode, am Ausgang des D-Flip-Flops 18 wiederhergestellt.

Zur näheren Erläuterung der für Korrelatoren und signalabgestimmte Filter-geltenden Theorie sei auf z.B. H.L. van Trees, "Detection, Estimation and Modulation Theory", Teil II, Wiley & Sons, 1971 und R.W. Lucky, J. Salz & E.J. Weldon Jr., "Principles of Data Communication", McGraw-Hill, 1968, verwiesen.

Die mit dem System und dem Verfahren-gemäss der Erfind* ung gewonnenen Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1) Eine billige Leitung, üblicherweise ein nicht abgeschirmter Doppelleiter, kann benutzt werden. Es muss jedoch über die gesamte Uebertragungsstrecke eine galvanische Verbindung aufrechterhalten werden; somit können beispielsweise Transformatoren nicht eingeschaltet werden. Ferner müssen die Leiter im wesentlichen denselben Weg verlaufen, so dass Störungen die Signale auf den Leitern im wesentlichen sym-

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metrisch beeinflussen.

2) Die Elektronik des Senders und des Empfängers ist einfach.

3) Bei massigen üebertragungsentfernungen ist eine hohe Üebertragungsgeschwindigkeit und eine niedrige Empfindlichkeit gegen Störungen erhältlich. Da die mittels des Summensignals sichergestellte Synchronisierung von den zu übertragenden Daten unabhängig ist, ist kein Scrambling erforderlich.

4) Es können mehrere Sender und Empfänger an denselben Zweidrahtleiter angeschlossen werden, indem der Sender beispielsweise von der Leitung weggeschaltet werden kann, wenn nicht gesandt wird. Mit Hilfe eines herkömmlichen Abrufverfahrens kann in einem solchen System ein beidseitiger Informationsfluss ausgeführt werden.

5) Da die Informationsübertragung wechseistrommassig erfolgt, kann zur Anzeige der Polarität eine Gleichspannungskomponente benutzt werden. Eine Gleichspannungskomponente kann auch dazu benutzt werden, um anzuzeigen, dass in einem System mit mehreren Sendern und Empfängern gesandt wird.

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Zusammenfassung

Auf einer Zweidrahtleitung (3a, 3b) wird binäre Infor-• mation seriell übertragen, indem ein periodisches Signal auf dem einen Leiter gesandt wird, während der andere Leiter geerdet ist, wenn eine binäre "0" übertragen werden soll. Wenn eine binäre "1" übertragen werden soll, wird das periodische Signal auf dem anderen Leiter gesandt, während der genannte eine Leiter geerdet ist. Die Summe der auf den beiden Leitern übertragenen Signale wird zur Steuerung der Rückgewinnung der binären Information aus dem Unterschied zwischen den auf den beiden Leitern übertragenen Signalen gebildet. Auf der Senderseite wird ein von der binären Information gesteuerter Schalter (6a, 6b) zur üebermittlung des periodischen Signals an den einen oder den anderen der beiden Leiter ausgenutzt, und auf der Empfängerseite wird ein Korrelator oder ein signalabgestimmtes Filter zur Rückgewinnung der gesamten Information benutzt.

Fig. 1 wird zur Veröffentlichung mit der Zusammenfassung vorgeschlagen.

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Leerseite

Claims

Lars Herman Gustav Philipson und Gert-Äke Gudmund Hansson Virvelvindsvagen 4 I Örnvägen 32

S-222 27 LUND S-222 31 LUND

Schweden Schweden

Verfahren und System zur Informationsübertragung

Patentansprüche:

Verfahren zur Uebertragung von binärer Information, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem einen oder anderen zweier Leiter ein periodisches Signal entsprechend der zu übertragenden, binären Information gesandt wird, gleichzeitig wie dem genannten anderen bzw, dem genannten einen Leiter ein konstantes Potential aufgedrückt wird, dass die auf den beiden Leitern übertragenen Signale zwecks Bildung eines Summensignals addiert werden, dass das auf dem einen Leiter übertragene Signal von dem auf dem anderen Leiter übertragenen Signal zwecks Bildung eines Differenzsignals subtrahiert wird, und dass die binäre Information mit Hilfe des Summensignals aus dem Differenzsignal rückgewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

zeichnet, dass für jedes Bit der binären Information eine Periode des periodischen Signals gesandt wird.
3. System zur seriellen Uebertragung binärer Information von einem Sender über zwei Leiter an einen Empfänger, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (1) Mittel (5, 6a, 6b, 7) zur Uebermittlung eines periodischen, von einem gemeinsamen Generator (4) erzeugten Signals an

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ORIGINAL INSPECTED

den einen oder den anderen der beiden Leiter (3a, 3b) entsprechend der zu übertragenden binären Information und zum gleichzeitigen Aufdrücken eines konstanten Potentials auf den genannten anderen bzw. den genannten einen Leiter besitzt, und dass der Empfänger (2) Mittel (9-13) zur Rückgewinnung der binären Information in Abhängigkeit von der Summe der auf den beiden Leitern empfangenen Signale und der Differenz zwischen diesen Signalen besitzt.
4. System nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η -

zeichnet, dass der Sender (1) Schaltmittel (6a, 6b) zur genannten Uebermittlung des periodischen Signals und des konstanten Potentials an die beiden Leiter (3a, 3b) aufweist.
5. System nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η -

zeichnet, dass die Schaltmittel (6a, 6b) für jedes Bit der binären Information eine Periode des periodischen Signals an einen der Leiter (3a, 3b) übermitteln.
6. System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mittel (5, 7) zur Synchronisierung des Auftretens der Bits in der zu übertragenden, binären Information mit dem periodischen Signal.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Generator (4) ein Sinuswellenoszillator ist, dessen Ausgang teils an zwei analoge Schalter (6, 6b), deren Ausgänge an je einen der Leiter (3ä, 3b) angeschlossen sind, und teils an einen Taktimpulsgenerator (5) angeschlossen ist, welcher die Eingabe der binären Information in einen Flip-Flop (7) steuert, dessen Zustand bestimmt, welcher Schalter das periodische Signal leiten soll und welcher Schalter das konstante Potential leiten soll.
8. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (2) Mittel (9, 10) zur Bildung eines die Summe der auf den beiden Leitern (6a, 6b) übertragenen Signale darstellenden Summensignals und eines die Differenz zwischen den genannten Signalen darstellenden Differenzsignals sowie Phasendetektormittel

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(13) zur Rückgewinnung der binären Information aus dem Differenzsignal mit Hilfe des Summensignals aufweist. .'
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den das Summensignal bildenden Mitteln (9) und den Phasendetektormitteln (13) ein auf die Frequenz des periodischen Signals abgestimmtes Bandpassfilter (11) eingeschaltet ist.
10. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,· dass die Phasendetektormittel (13) die binäre Information auf Grundlage der Korrelation zwischen dem Summensignal und dem Differenzsignal rückgewinnen.
11. System nach Anspruch 10, dadurch ge k e η η zeichnet, dass die Phasendetektormittel (13) aus einem Korrelator bestehen.
12. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendetektormittel (13) aus einem signalabgestimmten Filter bestehen.
13. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leiter (3a, 3b) den Sender (1) und den Empfänger (2) galvanisch verbinden, zumindest bei stattfindender Informationsübertragung.

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