DE4223639C1

DE4223639C1 - Verfahren zum Übertragen zweier voneinander unabhängiger digitaler Signale

Info

Publication number: DE4223639C1
Application number: DE4223639A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Soukal
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-07-17
Filing date: 1992-07-17
Publication date: 1993-12-09
Anticipated expiration: 2012-07-18
Also published as: US5349585A; JPH06188858A

Description

Zur Übertragung zweier digitaler Signale über einen Kanal ist das TDM-Verfahren (Time Division Multiplex) oder das FDM-Verfahren (Frequency Division Multiplex) bekannt.

In DE 38 30 120 A1 ist ein Verfahren zum Übertragen einer Haupt- und einer Zusatzinformation beschrieben, bei dem zur Unterscheidung dieser Informationen eine bestimmte Anzahl von Bits verwendet wird. Es ist eine gemeinsame Bit-Übertragungsgeschwindigkeit notwendig, mit der Sender und Empfänger arbeiten. Es handelt sich um ein nicht echtzeitfähiges Verfahren, weil die Zusatzinformation nicht deterministisch übertragen werden kann. Zwei voneinander unabhängige Signale können nicht übertragen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem es möglich ist, zwei digitale Signale ausschließlich durch Codierung und Decodierung zu mischen und wieder zu trennen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Übertragen zweier voneinander unabhängiger digitaler Signale über einen gemeinsamen Kanal, bei dem das eine Signal dem Puls-Kanal und das andere Signal dem Signal-Kanal eines Encoders zugeführt wird, in dem jeder 0-1-Übergang am Puls-Kanal einen Puls fester Breite im codierten Signal erzeugt, dessen Polarität durch den Signal-Kanal festgelegt wird und bei dem zur Trennung des codierten Signales ein Decoder die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pegelwechseln heranzieht, indem eine Flanke des codierten Signals eine Zeitmessung startet und das Signal dem Puls-Kanal zugeordnet wird, wenn innerhalb einer festen Grenzzeit eine weitere Flanke auftritt, oder dem Signal-Kanal zugeordnet wird, wenn innerhalb dieser Grenzzeit keine weitere Flanke aufgetreten ist.

Die Unterschiede zu den bekannten Verfahren sind folgende:
Es existiert kein festes Zeitraster für die Signal-Codierung, wie es bei TDM der Fall wäre.

Es wird keine Trägerfrequenz aufmoduliert, die mit übertragen und demoduliert werden müßte, wie es bei FDM der Fall wäre.

Es wird auch kein Takt mit Übertragen, der im Empfangssystem zurückgewonnen werden müßte, um eine Decodierung vorzunehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Signal-Puls-Codier-Übertragungsverfahren (SPC) bezeichnet werden.

Das SPC-Übertragungsverfahren eignet sich z. B. zur Übertragung von zwei digitalen Signalen innerhalb einer Röntgenanlage, und zwar zwischen zwei Teilkomponenten des Röntgengenerators, dem Steuerungsteil und dem Leistungsteil.

Das Übertragungsmedium kann ein Lichtwellenleiter (LWL) sein. Für LWL-Übertragung ist das SPC-Übertragungsverfahren besonders geeignet, da es starke Signalverzerrungen (Pulsbreite) fehlerfrei toleriert. Hohe Pulsbreitenverzerrungen sind bei Lichtwellenleitern typisch.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 Signalverläufe zur Erläuterung der Fig. 1,

Fig. 3 den in Fig. 1 dargestellten Encoder, und Fig. 4 Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise des Decoders gemäß Fig. 1.

Das SPC-Übertragungsverfahren ermöglicht es, zwei voneinander unabhängige digitale Signale zu einem zusammenzufassen, über einen Kanal zu übertragen und dann wieder zu trennen.

Die Prinzipdarstellung gemäß Fig. 1 zeigt, daß im System 1 zwei Kanäle, der Puls-Kanal 3 und der Signal-Kanal 4 dem SPC-Encoder 5 zugeführt werden. Der SPC-Encoder 5 faßt nach einer bestimmten Vorschrift diese beiden Signale zu einem codierten Sendesignal TxD zusammen. Das Signal TxD wird nun übertragen, z. B. über Lichtwellenleiter. Im System 2 wird dieses Signal empfangen (RxD) und dem SPC-Decoder 6 zugeführt. Der SPC-Decoder 6 rekonstruiert aus dem codierten Signal RxD wieder die einzelnen Signale auf dem Puls-Kanal 3 und dem Signal-Kanal 7.

Der Signal-Kanal 4 kann für ein beliebiges digitales Signal verwendet werden. Der Puls-Kanal 3 kann jedoch nur zur Übertragung von Pulsen verwendet werden. Typische Anwendungen für den Puls-Kanal 3 sind Zähl-Signale. Zähl-Signale enthalten ihre Information nicht in der Signalform, sondern in der Anzahl der Pulse pro Zeit. Das ist der Unterschied der beiden Kanäle 3, 4. Der Signal-Kanal 4 überträgt eine Signalform. Der Puls-Kanal 3 überträgt aber nur die richtige Anzahl der Pulse und nicht die Signalform selbst.

Wie bei jedem Übertragungsverfahren muß auch hier eine sorgfältige Dimensionierung hinsichtlich der Bandbreite und der Laufzeiten der Signale durchgeführt werden.

Die technische Realisierung wird in der obigen Beispiel-Anwendung mit programmierbaren digitalen Logikbausteinen durchgeführt. Ein Baustein arbeitet als SPC-Encoder und ein weiterer als SPC-Decoder.

Bei dem beschriebenen Übertragungsverfahren bestehen für die beiden Kanäle 3, 4 folgende vorrangige Ziele:
Der Puls-Kanal 3 muß die Anzahl der Pulse richtig übertragen.

Der Signal-Kanal 4 muß die Signalform richtig übertragen.

Die Arbeitsweise des SPC-Verfahrens läßt sich am anschaulichsten anhand des codierten Signals mit Hilfe der Zeitdiagramme gemäß Fig. 2 darstellen, die bei den nachfolgenden Ausführungen wichtige Bestandteile sind.

Arbeitsweise

Jeder 0-1-Übergang am Eingang des Puls-Kanals 3 erzeugt eine Puls fester Zeit (Breite) im codierten Signal. Der Signal-Kanal 4 bestimmt die Polarität des codierten Signals, wobei bei Signal-Kanal=0 die Pulse positiv und bei Signal-Kanal=1 die Pulse negativ sind (Fig. 2).

Der Informationsgehalt des codierten Signals TxD liegt zum einen im Pegel 0 oder 1, zum anderen in der Pulsbreite. Das codierte Signal TxD entspricht grob gesagt dem mit Pulsen durchsetzten Signal-Kanal 4. Zur Trennung der beiden Kanäle 3, 4 (Decoder 6) wird die Pulsbreite herangezogen. Es wird die Zeit von zwei aufeinanderfolgenden Pegelwechseln (Flanken) zur Trennung der Kanäle verwendet. Eine Flanke am codierten Signal startet eine Zeitmessung. Tritt nun innerhalb einer festen Grenzzeit eine weitere Flanke auf, ist ein Puls übertragen worden (Puls-Kanal 3).

Ist innerhalb dieser Grenzzeit keine weitere Flanke aufgetreten, entspricht der momentane Pegel dem Pegel des Signal-Kanals 4.

Der SPC-Encoder 5 erzeugt aus den Eingängen Puls-Kanal 3 und Signal-Kanal 4 das codierte Ausgangssignal TxD (Fig. 1).

Bei der Codierung sind folgende Aufgaben zu bewältigen:

Signalaufbereitung des Puls-Kanals 3
Synchronisation der Kanäle 3, 4
Verknüpfung der Kanäle 3, 4

Die Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild und das dazugehörige Zeitdiagramm des Encoders 5.

Die Fig. 3 soll entsprechend den Aufgaben im Blockschaltbild erläutert werden.

Signalaufbereitung 7

Hier erfolgt die Erzeugung von Pulsen fester Pulsbreite bei jeder positiven 0-1-Flanke am Puls-Kanal 3.

Synchronisation 8

Die Synchronisation 8 hat zwei Eingänge und zwei Ausgänge. Sie sorgt dafür, daß eventuelle zeitliche Überschneidungen der beiden Kanäle 3, 4 im Einklang gebracht werden. Die Fig. 3 zeigt im eingekreisten Teil im Zeitdiagramm einen solchen Fall. Das Zeitdiagramm zeigt, daß die Synchronisation den Puls-Kanal 3 bevorzugt und den Signal-Kanal 4 zeitverzögert.

Dies ist nicht notwendigerweise so zu implementieren. Eine Bevorzugung des Signal-Kanals 4 wäre ebenso möglich.

Verknüpfung 9

Da sowohl Signalform als auch zeitliche Abstimmung der beiden Kanäle 3, 4 vorgenommen wurden, besteht die Verknüpfung 9 nur aus einer digitalen Grundfunktion, dem EXOR.

Der SPC-Decoder 6 rekonstruiert aus dem codierten Signal RxD die beiden Kanäle: Puls-Kanal 3 und Signal-Kanal 4. Wie bereits erwähnt, ist ein notwendiger Bestandteil des SPC-Decoders 6 die Fähigkeit zu erkennen, ob zwei aufeinanderfolgende Flanken an RxD eine zeitliche Mindestdifferenz überschreiten oder nicht. Mit anderen Worten: es muß erkannt werden, ob ein Schwellwert einer Pulsbreite überschritten wird oder nicht.

Verbale Decodierregeln

1. Werden zwei aufeinanderfolgende Flanken am codierten Signal erkannt, deren zeitliche Differenz kleiner als t_Grenz ist, handelt es sich um einen Puls, der am decodierten Puls-Kanal-Ausgang zu erzeugen ist.
2. Ist diese zeitliche Differenz größer als t_Grenz, zeigt der momentane Pegel von RxD den Pegel des Signal-Kanals 4 an.

Das Zeitdiagramm gemäß Fig. 4 soll den Decodiervorgang verdeutlichen:

Das decodierte Signal des Puls-Kanals 3 ist immer um mindestens die Pulsbreite im RxD-Signal verzögert. Dies liegt daran, daß erst beim Eintreffen der jeweils zweiten Flanke innerhalb von t_Grenz die Übertragung eines Pulses erkannt werden kann.

Bei der Decodierung des Signal-Kanals 4 existiert ebenfalls eine Mindestverzögerungszeit von t_Grenz, denn es muß nach einer Flanke im Signal RxD mindestens die Zeit t_Grenz vergehen, bis der neue Pegel am Signal-Kanal 4 ausgegeben werden kann.

Um ein Übertragungsverfahren anwenden zu können, muß dieses im ganzen betrachtet werden, und zwar qualitativ und quantitativ. Das heißt, es muß das grundsätzliche Verhalten verstanden werden und es müssen Kennwerte vorliegen, mit denen eine Dimensionierung möglich ist. Hierbei muß neben dem SPC-Encoder 5 und dem SPC-Decoder 6 auch der Übertragungskanal 10 einbezogen werden.

Wie bereits erwähnt, ist das wichtigste Verhalten, daß beim Puls-Kanal 3 nur Pulse übertragen werden, während beim Signal-Kanal 4 die Signalform erhalten bleibt.

Wie jedes Übertragungsverfahren, so hat auch das SPC-Übertragungsverfahren gewisse unerwünschte Nebeneffekte, die man kennen muß. Diese sind;:

Verzögerungszeit:
t_Delay
Unschärfe (zeitlich):	t_Jitter

Die Verzögerungszeit setzt sich aus den Verarbeitungszeiten in Decoder 6 und Encoder 5 und der Signallaufzeit des Übertragungskanals 10 zusammen.

Die zeitliche Unschärfe beschreibt den Toleranzbereich der Verzögerungszeit. Die Unschärfe ist ein Maß dafür, in welchem Bereich die Verzögerungszeit schwanken kann. Die Ursache der Unschärfe liegt zum einen daran, daß SPC-Encoder 5 und SPC-Decoder 6 mit asynchronen freilaufenden Takten betrieben werden. Zum anderen liegt es daran, daß bei gleichzeitig eintretenden Ereignissen an beiden Kanälen 3, 4 des SPC-Encoders 5 zwangsläufig ein Kanal verzögert codiert und übertragen wird.

Ein weiterer sehr wichtiger Kennwert aller Übertragungsverfahren ist die Bandbreite. Im allgemeinen besitzt der Übertragungskanal 10 eine feste endliche Bandbreite. Die beiden Kanäle Signal-Kanal 4 und Puls-Kanal 3 besitzen ebenfalls eine feste Bandbreite. Der Frequenzbereich beider Kanäle 3, 4 reicht von 0 bis zur entsprechenden maximalen Bandbreite.

Die Ausnutzung der Bandbreite des Übertragungskanals ist nicht 100%. Mit anderen Worten bedeutet das, daß die Summe aus den Bandbreiten der Kanäle Puls-Kanal 3 und Signal-Kanal 4 kleiner ist als die Bandbreite des Übertragungskanals 10. Die Bandbreiteausnutzung beim SPC-Verfahren liegt bei maximal 90%.

Um das Übertragungsverhalten in Kennwerten zu fixieren, muß auf die Realisierung von SPC-Encoder 5 und SPC-Decoder 6 eingegangen werden, da diese für alle Kennwerte bestimmend sind. Wichtig für die Anwendung sind folgende Kennwerte:

B_K
Bandbreite des Übertragungskanals 10
B_P	Bandbreite des Puls-Kanals 3
B_S	Bandbreite des Signal-Kanals 4
t_{Delay P}	Verzögerungszeit des Puls-Kanals 3
t_{Delay S}	Verzögerungszeit des Signals-Kanals 4
t_{Jitter P}	Unschärfe des Puls-Kanals 3
t_{Jitter S}	Unschärfe des Puls-Kanals 4

Die Realisierung kann innerhalb eines Röntgengenerators erfolgen, um zwei Signale von einer Teilkomponente zu einer anderen zu übertragen.

Claims

1. Verfahren zum Übertragen zweier voneinander unabhängiger digitaler Signale über einen gemeinsamen Kanal (10), bei dem das eine Signal dem Puls-Kanal (3) und das andere Signal dem Signal-Kanal (4) eines Encoders (5) zugeführt wird, in dem jeder 0-1-Übergang am Puls-Kanal (3) einen Puls fester Breite im codierten Signal (TxD) erzeugt, dessen Polarität (RxD) durch den Signal-Kanal (4) festgelegt wird und bei dem zur Trennung des codierten Signales (RxD) ein Decoder (6) die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pegelwechseln heranzieht, indem eine Flanke des codierten Signals eine Zeitmessung startet und das Signal dem Puls-Kanal (3) zugeordnet wird, wenn innerhalb einer festen Grenzzeit eine weitere Flanke auftritt, oder dem Signal-Kanal (4) zugeordnet wird, wenn innerhalb dieser Grenzzeit keine weitere Flanke aufgetreten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Übertragungsmedium im gemeinsamen Kanal (10) ein Lichtwellenleiter verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das innerhalb eines Röntgengenerators zur Übertragung von zwei Signalen von einer Teilkomponente zu einer anderen angewendet wird.