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Empfängerschaltung für Infrarotfernst euersystem
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Die Erfindung betrifft eine Empfängerschaltung für ein Infrarotfernsteuersystem,
bei dem die Information in Form von mehreren verschiedenen vorbekannten Puisfolgen
mit gleichen Pulsen bekannter Impulsform übertragen wird.
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Solche Fernsteuersysteme finden verbreitet Verwendung bei der Steuerung
von elektronischen Geräten wie beispielsweise Fernsehern. Zur Informationsübertragung
wird dabei ein Zeichenvorrat von kleinstmöglichem Ulf ang angestrebt, im Sende-
und Empfangsschaltungen möglichst einfach und damit platzsparend und kostengünstig
aufbauen zu können. Beispielsweise umfaßt der Zeichenvorrat bei einer bekannten
Pernseh-Infrarotfernsteuerung zwei Zeichen, die als Folgen von neun bzw. dreizehn
Rechteckispulsen der Breite 4 /us mit zwei verschiedenen Folgefrequenzen ausgebildet
sind.
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Der Empfänger einer solchen Fernsteuerung soll in der Lage sein, die
Zeichen voneinander und von Störungen zu unterscheiden. Neben dem unvermeidlichen
breitbandigen, weißen Empfängerrauschen treten als Störer mit Emissionen im Infrarotbereich
Glühlampen bei 100 Hz, Leuchtstoffröhren bei etwa 2,5 bis 3,5 kHz sowie speziell
bei Fernseh-Bernsteuerungen die Frequenzbänder des ebenfalls über Infrarot angesteuerten
Kopfhörers im Bereich zwischen 40 und 320 kRz in Erscheinung. Bezogen auf die wesentliche
Nutzsignalbandbreite von 250 kHz, die sich bei dem 0. g. Beispiel aus der Impulsdauer
von 4 /Us ergibt, stellen die Glühlampen leistungsstarke determinierte Störer mit
einem Spektrallinienpaar bei + 100 Hz im Energiedichtespektrum dar, die Leuchtstoffröhren
Schmalbandrauschen zwischen 2,5 und 3,5 kHz und das Ubertragungsband des IR-Eopfhörers
breitbandiges farbiges Rauschen zwischen 40 und 320 kHz.
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Die bisher gebräuchlichen Empfängerschaltungen weisen diskrete IC-
oder hybride SC-aktive Filter und eine anschließende Erkennungsschaltung, die einen
großen Aufwand an logischen Informationen erfordert, auf. Damit verbunden ist ein
hoher Schaltungsaufwand, der entsprechend viel Platz beansprucht. Darüber hinaus
haben sich diese bekannten Schaltungen als nicht genügend störsicher erwiesen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs
genannten Art anzugeben, die mit vergleichsweise geringem Aufwand auskommt und monolithisch
integriert werden kann und gleichzeitig eine gegenüber den bekannten Schaltungen
verbesserte Störsicherheit erbringt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine
Empfängerschaltung
mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Die Theorie der Optimalfilter ist durch ihre Anwendung in der Radartechnik
bereits gut entwickelt. In dem ersten Optimalfilter wird das Eingangssignal in an
sich bekannter Weise mit der Impulsantwort des Filters, welches auf die spezielle
bekannte Impulsform abgestimmt ist, gefaltet. Mit der Matched-Filter-Theorie läßt
sich zeigen, daß das Ausgangssignal des Filters ein deutliches Maximum aufweist,
wenn Impulsantwort und Eingangssignal zusammenpassen, d. h. in diesem Fall, wenn
das Eingangssignal einen Puls der bekannten Impulsform darstellt bzw. enthält. Beim
Eintreffen einer Pulsfolge erhält man dementsprechend am Ausgang des ersten Optimalfilters
eine Folge von Signalmaxima, deren Abstände den Pulsabständen der empfangenen Pulsfolge
entspricht. Das im Eingangssignal enthaltene Rauschen kann in einem ungünstigen
Fall ebenfalls ein solches Maximum bewirken und dadurch den Empfang eines Pulses
vortäuschen. Zur weiteren Unterscheidung und Abtrennung solcher Störungen von einer
vorbekannten Pulsfolge wird das Ausgangssignal des ersten Optimalfilters einem weiteren
Optimalfilter zugeführt. Dieses Optimalfilter ist speziell auf diese vorbekannte
Pulsfolge abgestimmt, ohne hierbei die Erkennung einer speziellen Impulsform zu
berücksichtigen.
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Dieses Filter beinhaltet also nur eine Information über die zeitliche
Abfolge der erwarteten Pulsfolge. Das Ausgangssignal des ersten Optimalfilters wird
in einem weiteren Optimalfilter mit dessen Impulsantwort gefaltet und das dabei
entstehende Kreuzkorrelationssignal wird einem diesem weiteren Optimalfilter nachgeschalteten
Schwellwertdetektor zugeführt. Der Faltungsmechanismus liefert für alle "falschen"
Puisfolgen ein im allgemeinen
flaches Kreuzkorrelationssignal. Nur
beim Zusammenpassen von Impulsantwort und Eingangssignal des weiteren Optimalfilters
zeigt die Kreuzkorrelationsfunktion, die in diesem Fall die Autokorrelationsfunktion
darstellt, ein deutliches Maximum, denn nur bei der richtigen Pulsfolge passen die
Impuls abstände von ankommender Pulsfolge und Filterimpulsantwort zusammen, so daß
es beim kontinuierlichen Ubereinanderschieben des Eingangssignals über das Optimalfilter
zu einem Zeitpunkt zur vollständigen Deckung von Impulsfolge und Impulsantwort kommt.
Daraus resultiert am Ausgang des Filters zu diesem Zeitpunkt ein deutliches Maximum,
welches die gesamte aufintegrierte Nutzsignal energie darstellt. Dieses deutliche
Maximum tritt nur auf, wenn Pulsfolge und Impulsantwort des Optimalfilters vollständig
zusammenpassen. Damit läßt sich auf einfache Weise durch Detektieren eines solchen
Maximums das Auftreten einer erwarteten Pulsfolge erkennen. Dies wird auf vorteilhafte
Weise bewerkstelligt durch einen Schwellwertdetektor am Ausgang des Optimalfilters.
Die Schw311e ist so einzustellen, daß die durch Rauschen oder andere Störungen am
Ausgang des weiteren Optimalfilters auftretenden Kreuzkorrelationssignale diese
Schwelle nicht überschreiten, daß andererseits aber das Auftreten einer Pulsfolge
zuverlässig erkannt wird.
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Zur jnterscheidung mehrerer verschiedener Pulsfolgen voneinander sind
entsprechend mehrere weitere Optimalfilter dem Ausgang des ersten, zur Erkennung
der Impulsform vorgesehenen Optimalfilters in Parallelschaltung nachgestellt.
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Jedes dieser Optimalfilter ist auf eine bestimmte, vorbekannte Pulsfolge
abgestimmt, so daß beim Empfang einer Puls folge nur eines der mehreren weiteren
Optimalfilter ein deutliches Maximum des Kreuzkorrelationssignals zeigt, das die
Schwelle des jeweils nachfolgenden Schwellwertdetektors übersteigt.
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Gemäß einer günstigen Ausführungsform der Erfindung sind die weiteren
Optimalfilter Laufzeitketten mit einer der Länge der Pulsfolge, d. h. der Anzahl
der Pulse der zu erkennenden Folge entsprechenden Zahl von Abgriffen und mit zwischen
die einzelnen Abgriffe eingefügten Laufzeitgliedern sowie einem Summierglied zum
Zusammenfassen der abgegriffenen Spannungswerte. Die Laufzeit in den einzelnen Laufzeitgliedern
ist dabei so eingestellt, daß bei vollständig über die Laufzeitkette geschobener
Pulsfolge die Pulse der passenden Folge gleichzeitig an den Abgriffen eintreffen,
d. h. die Laufzeit in den Laufzeitgliedern entspricht den zeitlichen Abständen der
auf ein anderfolgenden Pulse der passenden Pulsfolge.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausfillirung der Erfindung sind
diese Laufzeitketten getaktete Schieberegister. Das Ausgangssignal des ersten Optimalfilters
wird dazu mit einer vorbestimmten Frequenz abgetastet. Diese Frequenz sollte zumindest
so hoch sein, daß die Maxima im Ausgangssignal des ersten Optimalfilters aus den
Abtastwerten zuverlässig erkennbar sind. Die Abtastwerte werden nacheinander in
die Register eingegeben und weitergeschoben. Die Abgriffe sind in diesem Fall Registerplätze
mit der Möglichkeit zum Erkennen des Registerinhalts, die Laufzeitglieder sind Folgen
von Registerplätzen ohne Abgriff. Die Laufzeit bei einer solchen Laufzeitkette ergibt
sich als Produkt aus dem Abstand zweier Registerplätze mit Abgriff und der Taktzeit
des Schieberegisters.
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Eine besonders günstige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß
die durch Abtastung des Ausgangssignals des ersten Optimalfilters gewonnenen Abtastwerte
gruppenweise, d. h. also zW B. der erste, zweite und dritte Wert, der vierte, fünfte
und sechste Wert usw. jeweils ZU Summenwerten zusammengefaßt werden. Diese Summenwerte
enthalten
ihrerseits nun wieder in zuverlässiger Weise die Information
über auftretende Maxima im Ausgangssignal des ersten Optimalfilters. Durch gruppenweise
Zusammenfassung der Abtastwerte wird nun aber die Anzahl der in die weiteren Optimalfilter
einzugebenden Werte wesentlich verringert, da zur Erkennung an Pulsfolge ein weiteres
Optimalfilter nur so viele Werte aufzunehmen hat wie der Länge der zu erkennenden
Pulsfolge entspricht. Bei gleicher Pulsfolgenlänge ist aber die Anzahl der Summenwerte
nur noch ein Bruchteil der Anzahl der Abtastwerte. Daraus resultiert entsprechend
eine Verkürzung der weiteren Optimalfilter auf nur einen Bruchteil der Länge, den
man ohne gruppenweise Zusammenfassung benötigen würde. Dies ermöglicht umgekehrt
eine Erhöhung der Abtastfrequenz, ohne daß die Länge der Schieberegister das erträgliche
Maß übersteigt.
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Als besonders vorteilhaft anzusehen ist eine Ausführungsform, bei
der diese Schieberegister und soweit möglich auch die angeschlossenen Schaltungsteile
monolithisch integriert werden können. Besonders günstig hierbei ist es, die Schieberegister
als Ladungsverschiebeschaltungen (CCD) auszuführen. Dies hat zum einen den Vorteil,
daß eine aufwendige Analog/Digital-Wandlung entfällt zum andern können solche Ladungsverschiebeschaltungen
mit sehr hohen Taktfrequenzen für die Verschiebung der Registerinhalte betrieben
werden. Das Auslesen der Registerinhalte erfolgt bei solchen Schaltungen auf einfache
und den Registerinhalt nicht beeinflussende Weise. Weiter können durch die Möglichkeit
zur monolithischen Integration derart ausgebildete Optimalfilter mit einer großen
Anzahl von Registerstellen ausgeführt werden, was die Sicherheit bei Erkennung einer
Pulsfolge erhöht.
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Um Schwankungen im Eingangssignal auszugleichen, ist es gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen, dem ersten
Optimalfilter einen Begrenzerverstärker vorzuschalten, der das Eingangs signal auf
einen einheitlichen Signalpegel verstärkt.
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Nicht restlos ausgeschlossen werden kann der Störungsfall, bei dem
durch besonders intensive Störsignale oder teilweise Korrelation der Störung am
Ausgang von mehr als einem der weiteren Optimalfilter ein Signal auftritt, welches
die Schwelle der Schwellwertdetektoren übersteigt, wobei jedoch nur eines dieser
Signale auf das Auftreten einer vorbekannten Pulsfolge zurückzuführen ist. Für diesen
Fall sieht eine Weiterbildung der Erfindung vorteilhafterweise eine Komparatorschaltung
vor, welche die Ausgangssignale der Schwellwertdetektoren vergleicht und das größte
Signal dem Auftreten einer entsprechenden Puls folge zuschreibt und ein diesbezügliches
Ausgangssignal zur weiteren Auswertung der empfangenen Information abgibt. Diese
Vergleichsschaltung kann auch noch so ausgebildet werden, daß bei mehreren, die
Schwelle übersteigenden Signalen nur dann auf das Auftreten einer Pulsfolge erkannt
wird, wenn sich eines dieser Signale deutlich von den anderen abhebt und bei mehreren
etwa gleichen Signalen das gesamte Eingangssignal als Störung interpretiert und
verworfen wird.
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Eine weitere günstige Ausführungsform sieht am Eingang der Empfängerschaltung
frequenzselektive Vorfilter zur Abtrennung schmalbandiger Störungen vor. Hierdurch
werden aus dem Spektrum des Nutzsignals nur geringe Anteile ausgeblendet, während
schmalbandige Störer vollständig unterdrückt werden und damit das Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis
für die weitere Verarbeitung entscheidend verbessert wird.
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Die Erfindung wird im folgenden noch anhand eines Beispiels veranschaulicht,
ohne daß sich der allgemeine
Erfindungsgedanke auf dieses spezielle
Beispiel beschränkt. Das am Eingang E der Empfängerschaltung nach FIG. 1 ankommende
Eingangssignal sei noch mit Störungen durch Glühlampen (+ 100 Hz), Leuchtstoffröhren
(2,5 bis 3,5 kHz) und der IR-?onsignalübertragung des bereits eingangs genannten
Kopfhörers (40 bis 320 kHz) behaftet. Während die schmalbandigen niederfrequenten
Störer, Glühlampen und Leuchtstoffröhren, in Vorfiltern 1 frequenzselektiv unterdrückt
werden mit Hilfe von beispielsweise Notch-Filter für Glühlampen und schmaler Bandsperre
für Leuchtstoffröhren, lassen sich Fernsteuersignalband und Tonsignalband auf diese
Weise nicht trennen. Das so gefilterte Signal wird im Begrenzerverstärker 2 auf
einen einheitlichen Signalpegel verstärkt und dem ersten Optimalfilter 3 zur Erkennung
der bekannten Rechteckimpulsform zugeführt. Das im ersten Optimalfilter durch Faltung
mit der Impuls antwort für den Rechteckimpuls gewonnene Signal wird weitergeführt
auf zwei parallel geschaltete weitere Optimalfilter 4 zur Erkennung zweier verschiedener
Pulsfolgen. Die beiden Impulsfolgen I und II unterscheiden sich durch unterschiedliche
Pulsfolgefrequenz beispielsweise fI = 34,64 kHz und fII = 37,31 kHz. Die Korrelationssignale
am Ausgang der beiden weiteren Optimalfilter 4 werden den auf gleiche Werte eingestellten
Schwellwertdetektoren 5 zugeführt.
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Sofern diese Signale die eingestellte Schwelle überschreiten, gelangen
sie zur Vergleichsschaltung 6, wo geprüft wird, ob eine Pulsfolge empfangen wurde
oder ob es sich lediglich um ungünstige Störverhältnisse handelt. Bei Erkennen auf
das Vorhandensein einer der beiden Pulsfolgen wird ein Signal auf den entsprechenden
Ausgang gegeben.
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FIG. 2 zeigt die Ausbildung eines Optimalfilters 4 nach FIG. 1 als
Laufzeitkette mit einer der Zahl der Pulse pro
Folge entsprechenden
Anzahl von Abgriffen A und einem Summierglied zu zur Zusammenfassung der abgegriffenen
Werte. Das Ausgangssignal des Summiergliedes wird auf den Schwellwertdetektor 5
weitergeleitet. Die Laufzeitglieder L der Kette, die zwischen den einzelnen Abgriffen
angeordnet sind, sind für das gegebene Beispiel einer festen Pulsfolgefrequenz innerhalb
der zu erkennenden Pulsfolge untereinander gleich und gleich dem zeitlichen Abstand
1/f1 der einzelnen Pulse. Das andere Optimalfilter zur Erkennung der Pulsfolge II
ist weitgehend gleich aufgebaut mit dem einzigen Unterschied, daß die Laufzeitglieder
die Werte 1/fix aufweisen. Beim Ubereinanderschieben der Pulsfolge I über die beiden
Filter ergibt sich bei dem passenden Optimalfilter mit Laufzeitgliedern 1/f1 als
Ausgangssignal eine kontinuierlich ansteigende und abfallende Dreiecksfunktion,
die ihr Maximum dann hat, wenn die Pulsfolge vollständig auf die Laufzeitkette geschoben
ist. Am Ausgang des Filters für die Puls folge II hingegen zeigt sich nur ein flacher
Verlauf des Ausgangssignals, da jeweils höchstens ein Puls der Pulsfolge abgegriffen
wird und die übrigen Pulse nie gleichzeitig an den Abgriffen anwegen. Damit überschreitet
nur das Ausgangssignal des weiteren Optimalfilters für die Pulsfolge II die eingestellte
Schwelle, so daß von der Vergleichsschaltung 6 auf das Vorhandensein der Pulsfolge
I erkannt wird.
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FIG. 3 zeigt die Ausführung einer solchen Laufzeitkette als getaktetes
Schieberegister. Die Abgriffe A erfolgen hierbei an Registerplätzen mit Möglichkeiten
zum Erkennen des Registerinhalts. Die Laufzeitglieder L sind realisiert durch Folgen
von Registerstellen ohne Abgriff.
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Im dargestellten Beispiel liegen zwischen je zwei
Registerplätzen
mit Abgriff 6 Registerplätze ohne Abgriff. Mit jedem siebten Takt gelangt also ein
Registerwert erneut an einen Registerplatz mit Abgriff. Die Taktfrequenz des Schieberegisters
ist in diesem Fall also das siebenfache der Pulsfolgefrequenz fI.