DE60015366T2

DE60015366T2 - Verfahren zur Erhöhung der Datenrate

Info

Publication number: DE60015366T2
Application number: DE60015366T
Authority: DE
Inventors: Eric Lukac-Kuruc; David Herscovitch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2020-11-18
Also published as: US7139309B2; ATE281026T1; EP1209814A1; EP1209814B1; DE60015366D1; US20020061060A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Sachgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für das Übertragen von Informationen über einen elektrischen oder optischen Träger. Sie betrifft insbesondere die Übertragung von numerischen Informationen, die seriell in einer zeitlichen Reihenfolge durch den Träger fließen.
2. Kurze Beschreibung des Hintergrundes der Erfindung einschließlich des Standes der Technik
Es ist seit langer Zeit bekannt, Informationen mit verschiedenen Verfahren in serieller Folge über einen elektrischen Träger zu übertragen. Zum Beispiel sind zahlreiche Verfahren und Systeme zum Zweck der Übertragung von Informationen zwischen Musikinstrumenten entsprechend dem MIDI-Schnittstellenstandard (Digitale Schnittstelle für Musikinstrumente, MIDI Manufacturers Association, The complete MIDI 1.0 detailed specification", document version 95.1 section 2 embedding 2:doc version 4.2 , Okt. 1994 Seiten 1 bis 3) bekannt. Gemäß der MIDI-Spezifikation, die den Einsatz von Opto-Isolatoren erfordert, werden die Informationen auch als Lichtmodulationen übermittelt. Häufig ist es, entsprechend der Kodierung der Informationen, die dem in Betracht gezogenen Übertragungsverfahren zu eigen ist, nicht ungewöhnlich, daß die Zahl der unterschiedlich kodierten Nachrichten, die das Übertragungsverfahren über den Träger übermitteln kann, begrenzt ist. Im Fall des MIDI-Standards zum Beispiel erreicht man schnell die absolute Obergrenze von 16 Adressen (auch Kanäle genannt) der verschiedenen bestimmten Instrumente, mit denen das System in der Lage ist zu arbeiten.
Die GB A 1 421 241 beschreibt ein Verfahren für zeitgeteilte Multiplex-Übertragung von Signalen. Eine serielle Nachricht wird erzeugt, die aus einigen Bit-Folgen besteht, wodurch die zeitliche Länge aller Bits eines ersten Datenstromes verringert wird. Zusätzliche Bits eines anderen Datenstromes werden zwischen die Bits des ersten Datenstromes eingefügt. Das Verfahren dient dazu, die Informationsrate zu erhöhen, die über eine Kommunikationsschnittstelle übertragen werden kann. Jedoch bleiben die Halbdauerpunkte aller reduzierten Bits nicht am gleichen Platz, an dem sie sich in der unveränderten Nachricht befunden haben, und folglich gibt es keine Kompatibilität mit vorhandenen Systemen.
Es ist folglich wünschenswert, die Datendichte der übertragenen Informationen zu erhöhen, während zugleich der vorher zugelassene Standard für das Übertragen der Informationen beibehalten wird, indem die zusätzlichen Informationen "überlagert" werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
1. Aufgaben der Erfindung
Die Erfindung zielt darauf ab, die Nachteile der bekannten Verfahren zu beheben, indem sie ein Verfahren bereitstellt, das es erlaubt, die Menge der verschiedenen Nachrichten zu erhöhen, die das System zu übermitteln in der Lage ist, und gleichzeitig die Kompatibilität mit vorhandenen Systemen beizubehalten.
Im vorliegenden Kontext ist eine Nachricht als eine Reihe von Bits definiert, die einer oder mehreren Anweisungen und/oder einer Adresse entsprechen.
2. Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Daten-/Bitrate bei der Übertragung zwischen wenigstens zwei Vorrichtungen. Dieses Verfahren wird gemäß dem angefügten Anspruch 1 durchgeführt.
Zu diesem Zweck ist ein Verfahren für die Übertragung einer größeren Menge von Informationen zwischen wenigstens zwei Vorrichtungen vorgesehen, gemäß dem Informationselemente, die einander in einer zeitlichen Sequenz folgen, über einen elektrischen oder optischen Träger geleitet werden, wobei die besagten Informationselemente aus einem Paket von binäre Übergänge bildenden Bits bestehen, wobei die besagten Bits zu Nachrichten zusammengefaßt sind, die eine oder mehrere Daten und/oder Adressen der Vorrichtungen enthalten, für die diese Daten bestimmt sind, wobei das besagte Verfahren die Kompatibilität mit den vorhandenen Kommunikationssystemen der Vorrichtungen beibehält und dennoch eine Zunahme der Menge der verschiedenen bestimmten Nachrichten erlaubt, die das System zu übermitteln in der Lage ist.
Die Erfindung macht Gebrauch von den Eigenheiten der Verfahren, die allgemein verwendet werden, um eine Nachricht zu erkennen, um zusätzliche Informationen auf eine nicht einschränkende Weise hinzuzufügen.
Entsprechend der Erfindung werden zusätzliche binäre Bits zwischen die Bits eingefügt, welche die Ausgangsnachricht bilden. Die Positionierung und die zeitliche Länge werden so gewählt, daß ein Erkennen durch die üblichen bekannten Verfahren zum Abtasten von Nachrichten vermieden wird. Die besagten Verfahren zum Auslesen von Nachrichten basieren auf einem Logikschaltkreis, der UART genannt wird (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, siehe zum Beispiel das Atmel Dokument: Ref 1042D-04/99/xM bezüglich AT902333 & 4433 Mikrocontroller, eingebettet in UART Seiten 44 bis 50).
Nur ein Empfänger, der auf einer Nachrichtenabtastung gemäß der Erfindung basiert, ist in der Lage, den gesamten Inhalt der Nachricht einschließlich der zusätzliche Bits zu erfassen.
Mit Information soll jede mögliche Nachricht bezeichnet werden, in der der semantische Inhalt kodiert werden kann. Entsprechend der Erfindung sind Vorrichtungen Informationssender, Informationsempfänger oder kombinierte Informationssender und -empfänger (Transceiver).
Entsprechend der Erfindung folgen die Informationselemente einander zeitlich in einem elektrischen oder optischen Träger. Mit "folgen einander" ist eine Übertragung der Informationselemente eines nach dem anderen in einer zeitlichen Reihenfolge gemeint, wobei jedes Element allein die vollständige Informationskapazität des Trägers benutzt. Mit elektrischem Träger sind alle möglichen Mittel gemeint, die geeignet sind, ein elektrisches Signal von einem Punkt zu einem anderen zu übermitteln. Diese Träger werden meistens mittels eines oder mehrerer elektrischer Leiter in Form von einer oder mehreren Leitungen realisiert, die gegeneinander isoliert sind und zu einem Kabel zusammengefaßt sind, das durch Stecker abgeschlossen wird. Die Kodierung der Informationen in dem elektrischen Träger kann auf jede mögliche bekannte Weise erfolgen. Sie kann, zum Beispiel, mittels einer Spannung, einem Strom, einer Phase oder auf jede mögliche andere Weise verwirklicht werden, die mit dem Träger kompatibel ist. Mit optischem Träger sind alle möglichen Mittel gemeint, die geeignet sind, Photonen von einem Punkt zu einem anderen zu übertragen. Diese Träger werden meistens durch ein oder mehrere optische Materialien oder einen Zusammenbau dieser Materialien oder aber sogar durch den leeren Raum verwirklicht.
Entsprechend der Erfindung werden die Informationselemente von einem Satz von binären Übergängen, genannt Bits, gebildet, die einander zeitlich folgen. Wenn die Kodierung der Informationen mittels einer Spannung erfolgt, wird ein binärer Übergang durch einen plötzlichen Sprung von der Ruhespannung auf die Ein-Spannung (aktiver Zustand) oder andererseits von der Ein- Spannung zur Ruhespannung realisiert. Die Dinge liegen ähnlich, wenn die Kodierung durch andere Mittel verwirklicht wird. Sätze von Bits bilden Nachrichten, die den Vorrichtungen zugeordnet sind, die über die elektrischen oder optischen Träger verbunden sind.
Ein vorteilhaftes Kodierungsschema von binären Informationen, die über die elektrischen Träger fließen, ist eine Kodierung, die mittels eines Stromes erfolgt. Entsprechend diesem Kodierungsschema werden die zwei binären Niveaus durch das Vorhandensein oder Fehlen einem Strom verwirklicht. Es ist gleichgültig, ob das binäre Niveau 1 durch die Abwesenheit oder durch das Vorhandensein des Stromes verwirklicht wird. Praktisch ist eine Ausführung, die gute Resultate gezeigt hat, diejenige, bei der das binäre Niveau 1 durch das Fehlen des Stromes und das binäre Niveau 0 durch seine Anwesenheit verwirklicht werden.
Entsprechend der Erfindung werden zusätzliche Bits zwischen die Bits einer ursprünglichen Nachricht eingefügt. Jedes der zusätzlichen Bits wird in dem Zeitpunkt zentriert, der einem Übergang zwischen Bits in der ursprünglichen Nachricht entsprach. Die Menge von ergänzenden Variationen der Nachricht, die durch die Einfügung der binären Bits in einem System ermöglicht werden, in dem die Nachrichten n Bits in einer Reihe umfassen, ist gegeben durch die folgende Formel: nsup=2(n–1), wobei n ein ganzzahliger Wert ist, der die Anzahl der Bits in der ursprünglichen Nachricht angibt.
Die Erfindung erscheint insbesondere vorteilhaft, wenn sie für die Übertragung von Daten verwendet wird, die zu einer musikalischen Ausrüstung entsprechend dem MIDI-Kommunikationsstandard gehören. Gemäß diesem Gebrauch wird eine 5 mA Stromkodierung für das Logikniveau 0 verwendet und der besagte Strom wird für das Logikniveau 1 unterbrochen. Die Basisfrequenz solch eines MIDI-Kommunikationssystemsliegt bei 31250 Baud und benutzt ein asynchrones Übertragungsprotokoll, wobei jede Nachricht ein Bit enthält, das den Anfang der Nachricht einstellt ("Start-Bit "im aktiven Zustand, d.h. im Zustand 0), 8 Datenbits und ein Bit für das Ende der Nachricht ("Stop-Bit" im Ruhezustand, d.h. im Zustand 1).
Ähnlich wird, weil der MIDI-Kommunikationsstandard den Gebrauch von Opto-Isolatoren erfordert, diese elektrische Kodierung implizit innerhalb dieser Opto-Isolatoren in eine optische Kodierung umgewandelt, in der ein Logikniveau 0 durch einen Photonenfluß zwischen der eingebauten lichtemittierenden Diode und dem Phototransistor dargestellt wird, und ein Niveau 1 durch das Fehlen von Photonen.
Entsprechend dem MIDI-Standard sind die Stecker, die am Ende der Kabel des Informationsträgers angeordnet sind, genormte 5-polige DIN-Stecker (180 Grad). Die mit 4 und 5 bezeichneten Stifte werden für den Anschluß des Stromkreises verwendet, der die Informationen übermittelt; der Stift 2 ist nicht angeschlossen (Fall eines "MIDI IN"-Ports) oder er wird mit der Kabelabschirmung verbunden (Fall eines "MIDI OUT"- oder "MIDI THROUGH"-Ports). Die Stifte 1 und 3 werden nicht angeschlossen.
Die Erfindung betrifft auch ein System für die Übermittlung von Informationen gemäß dem Verfahren nach der Erfindung und dessen Gebrauch für die Übermittlung von Informationen in Zusammenhang mit dem Betrieb musikalischer Geräte entsprechend dem MIDI-Standard.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beigefügten Zeichnungen zeigt:
1 eine schematische Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik und soll außerdem dazu dienen, die praktische Implementierung der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen;
2 die zeitliche Reihenfolge einer seriellen Datenübertragung entsprechend dem Stand der Technik
3 einen Vergleich der zeitlichen Reihenfolgen mit und ohne zusätzliche Bits, die gemäß der Erfindung eingeschoben sind, mit dem dazugehörigen Abtastverfahren
4 einen Vergleich der zeitlichen Reihenfolgen einer kompletten Nachricht entsprechend Stand der Technik, eine komplette Nachricht entsprechend der Erfindung, zwei zeitliche Veränderungen der letzteren.
5 und 6 veranschaulichen ein neues Verfahren zur Signalerkennung durch den Vergleich der Veränderungen im Signal gegenüber der zeitlichen Referenz-Folge.
BESCHREIBUNG VON ERFINDUNG UND BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine Vorrichtung entsprechend dem Stand der Technik; sie wird weiterhin dazu verwendet, um die praktische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Die Informationen, die über den Träger fließen, treten in die Vorrichtung durch die Stifte 4 und 5 des genormten DIN-Steckers 1 (mit IN bezeichnet) ein, der über die Anschlüsse 2 und 3 an einen Optokoppler 4 angeschlossen ist. Der Strom der binären Übergänge 5, die aus dem Optokoppler 4 heraus kommen, wird dann zu einem Seriell-zu-parallel-Konverter 6 geschickt, der die Informationen de-serialisiert, um die Nachrichten zu sammeln. Die letzteren werden über den Anschluß 7 zur Verarbeitungseinheit 8 gesendet. Die Informationen, die durch die Verarbeitungseinheit 8 erzeugt werden, werden über den Anschluß 9 gesendet, um im Parallel-zu-seriell-Konverter 10, der an den Stift 5 des DIN-Steckers 12 (mit OUT bezeichnet) über den Anschluß 11 angeschlossen ist, serialisiert zu werden.
Der Stift 5 des DIN-Steckers 14 (mit THRU bezeichnet) ist an das Signal angeschlossen, das vom Optokoppler 4 über den Anschluß 13 kommt.
2 zeigt die zeitliche Reihenfolge einer asynchronen seriellen Übertragung entsprechend dem Stand der Technik. Der Zeitfluß wird durch den Pfeil 16 dargestellt. Der logische Zustand 1 entspricht dem Niveau 1. Der logische Zustand 0 entspricht dem Niveau 0.
Entsprechend dem Stand der Technik enthält eine typische Nachricht ein Start-Bit 2, mehrere Datenbits 3 – 4 – 5 und ein Stop-Bit 6. Ausgehend vom Ruhezustand 10, der auf Logikniveau 1 ist, wird das Start-Bit durch einen Übergang 11 vom Niveau 1 zum Niveau 0 eingeleitet. Das Niveau 0 wird für Dauer 2 beibehalten; die Kombination dieses Überganges 11 und der Dauer 2 bildet das Start-Bit. Am Ende der Dauer 2 kann eventuell ein Niveau-Übergang 12 eintreten, um das Niveau des ersten Datenbits 3 der Nachricht einzustellen. Ein Datenbit kann entweder das Niveau 0 oder das Niveau 1 aufweisen. Am Ende der Dauer 3, deren Länge der von Dauer 2 gleich ist, kann eventuell ein Niveau-Übergang 13 eintreten, um das Niveau des zweiten Datenbits 4 der Nachricht einzustellen. Es geht ähnlich für die folgenden Datenbits bis zum letzten Datenbit 5 der Nachricht, an dessen Ende 14 das logische Niveau während einer Dauer 6, deren Länge auch bei allen weiteren Bits 2 bis 5 der Nachricht gleich ist, auf das Niveau 1 gehen muß. Dieses Bit 6 auf Niveau 1 ist das Stop-Bit, an dessen Ende 15 eventuell ein Niveau-Übergang von 1 nach 0 auftreten kann, um das Start-Bit der folgenden Nachricht einzuleiten. Alternativ dazu kann zum Zeitpunkt 15 am Ende des Stop-Bits 6 das Niveau auf 1 im Ruhezustand beibehalten werden.
Um den Inhalt der Nachricht zu lesen, wird das Signal in vorbestimmten Zeitabständen abgetastet. Gewöhnlich synchronisieren die empfangenden Vorrichtungen mit der ankommenden Nachricht mit einer Auflösung, die 16-mal feiner als die Dauer eines Bits ist, hier als Taktdauer oder Takt bezeichnet. Nachdem der Start-Bit-Übergang 11 erkannt worden ist, wird der Wert des ersten Datenbits ausgelesen, indem das Signal 24 Takte nach dem Übergang 11 abgetastet wird. Dieser Abtast-Zeitpunkt entspricht der Mitte der Dauer des ersten Datenbits. Von dann an werden die folgenden Datenbits bei 16 Takt-Intervallen bis zum und einschließlich des letzten Datenbits 5 abgetastet, von wo an weitere 16 Takte vergehen, bevor das Stop-Bit abgetastet wird, um sicherzustellen, daß es effektiv auf dem Niveau 1 ist und daß somit die gesamte Nachricht ordnungsgemäß ist.
Ein verbessertes Verfahren im Vergleich zu dem vorangehend beschriebenen beruht auf einem dreifachen Abtasten der Bits. Bei diesem Verfahren wird jedes abzutastende Bit erfaßt, z.B., ein erstes Mal 7 bei, unter Annahme der oben genannten typischen Synchronisierung, 7/16-tel seiner Gesamtdauer, die zweiten 8 und dritten 9 Samplings erfolgen dann bei 8/16-tel beziehungsweise 9/16-tel der Gesamt-Bitdauer. Die drei erhaltenen Werte werden durch einen Mehrheitsbeschluß verarbeitet, um den Wert des Bits festzustellen.
Der Zweck dieses dreifachen Abtastens ist es, einen falschen Meßwert aufgrund einer möglichen Störung während der Signalübertragung zu vermeiden, da in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit hoch ist, daß nur eines von drei Samplings einen fehlerhaften Wert aufweist. Es sollte angemerkt werden, daß das zweite Abtasten, bei 8/16-tel, dem einfachen Abtasten des ursprünglichen unveränderten Verfahrens entspricht, wie es oben beschrieben wird.
3 betrifft den Kern der Erfindung und zeigt das Timing einer erweiterten Nachricht (16 bis 20). Eine erweiterte Nachricht ist eine Nachricht, die, entsprechend der Erfindung, zusätzliche Bits 17 und 19 enthält. Die Bits 21 bis 23 bilden eine Basis-Nachricht entsprechend dem Stand der Technik und werden im folgenden als Basis-Datenbits bezeichnet. Die zeitliche Abfolge wird durch den Pfeil 13 dargestellt. Der logische Zustand 1 entspricht dem Niveau 14. Der logische Zustand 0 entspricht dem Niveau 15. In der Basis-Nachricht (21 bis 23) ist ein Bit 22 ein Niveau (14 oder 15) während der Dauer 6 zwischen den möglichen Übergängen 10 und 11. Die Punkte 7, 8 und 9 stellen das typische dreifache Abtasten dar, wie in der Diskussion zu 2 beschrieben.
Die erweiterte Nachricht (16 bis 20) zeigt, wie zusätzliche Bits 17 und 19 zur Basis-Nachricht hinzugefügt werden. In dieser erweiterten Nachricht wird die Dauer 6 von Bit 22 auf die Dauer 24 verringert, die die Hälfte der Ausgangsdauer 6 ist und die zu Bit 18 wird. Auf die gleiche Weise wird Bit 21 verringert, um zu Bit 16 zu werden, und Bit 23 wird verringert, um zu Bit 20 zu werden. Es ist wichtig anzumerken, daß Bit 21 ein Datenbit sein kann, ähnlich wie Bit 22, aber auch das Start-Bit sein kann. Gleichermaßen kann Bit 23 ein Datenbit sein, ähnlich wie Bit 22, aber es kann auch ein Stop-Bit sein. Diese Zeitverringerung der Bitlängen schafft Raum für zusätzliche Bits.
Entsprechend der Erfindung können zusätzliche Bits nur zwischen Basis-Datenbits, zwischen dem Start-Bit und dem ersten Basis-Datenbit oder zwischen dem letzten Basis-Datenbit und dem Stop-Bit eingefügt werden.
Im oben genannten Beispiel erscheint ein Zusatz-Bit 17, um den Übergang 10 zwischen dem, was vorher das Bit 21 und Bit 22 war, nunmehr Bit 16 beziehungsweise 18, herum zentriert; Bit 19 wird auf ähnliche Weise zwischen Bit 22 und Bit 23 eingefügt, jetzt Bit 18 und beziehungsweise Bit 20.
In der folgenden Beschreibung seien herkömmliche Vorrichtungen als solche Datenübertragungseinrichtungen definiert, die nur in der Lage sind, Basis-Nachrichten zu übertragen und zu empfangen; wir definieren neue Vorrichtungen als solche Datenübertragungseinrichtungen, die in der Lage sind, sowohl Basis- als auch erweiterte Nachrichten zu übertragen und zu empfangen.
Der Zweck der Erfindung ist es, das Hinzufügen von Bits zu einer vorhandenen Nachricht auf eine transparente Weise zu ermöglichen, so daß herkömmliche (Stand der Technik, nicht adaptiert) Empfangsvorrichtungen durch die erweiterte Nachricht unberührt bleiben, während sie noch die Basis-Nachricht auslesen, die in der erweiterten Nachricht enthalten ist.
Dieses ermöglicht den Gebrauch sowohl von herkömmlichen Vorrichtungen als auch von neuen Vorrichtungen, die die Erfindung einsetzen, wobei Basis-Nachrichten und erweiterte Nachrichten zwischen irgendwelchen von diesen Vorrichtungstypen ausgetauscht werden können, wobei sowohl Basis- als auch erweiterte Nachrichten durch die neue Vorrichtungen erkannt werden können, während erweiterte Nachrichten nicht die herkömmlichen Vorrichtungen am Erkennen der Basis-Nachrichten hindern werden, die in die erweiterten Nachrichten eingebettet sind.
Dies wird durch die Tatsache ermöglicht, daß das dreifache Abtasten (7 bis 9) von Bit 22 in der Basis-Nachricht (21 bis 23) wirksam bleibt, wenn das Bit 18 in der erweiterten Nachricht (16 bis 20) erkannt wird, während gleichzeitig ein zusätzliches dreifaches Abtasten (3 bis 5) den Inhalt des zusätzlichen Bits 17 ausliest. Praktisch haben die zusätzlichen Bits 17 und 19 die gleiche Dauer 12 wie die jetzt reduzierten Basis-Bits 24. Bei allen diesen Bits erfolgt das Abtasten jetzt bei 3/8-tel, 4/8-tel und 5/8-tel ihrer Dauer. Das Beispiel in 3 basiert auf einer Bitlängenverringerung auf die Hälfte, wobei zusätzlichen Bits eine Länge haben, die derjenigen der Basis-Bits ähnlich ist, nachdem diese letzteren reduziert worden sind.
Andere Verhältnisse der Längenverringerung können angewendet werden, um ähnliche Resultate zu erzielen. Zum Beispiel wird eine Verringerung der Basis-Bits auf 60% ihrer Ausgangslänge zusätzliche Bits mit einer Dauer entsprechend 40% der Dauer eines Basis-Bits bedeuten. Diese Option könnte bevorzugt werden, wenn Leseverfahren, die anders sind als das vorher beschriebene dreifache Abtastverfahren, gewählt werden. Jeder mögliche andere Wert für den Prozentsatz der Verringerung kann verwendet werden, um die Erfindung anzuwenden.
4 veranschaulicht den Effekt von Diskrepanzen in den Taktgeschwindigkeiten zwischen einem Sender und einem Empfänger, welche die Erfindung verwenden. Sie soll auch helfen, die Mathematik zu verstehen, die die Begrenzungen solcher Taktdiskrepanzen aufzeigt. Der zeitliche Fluß wird durch den Pfeil 13 dargestellt. Die Nachricht 1 ist eine Basis-Nachricht entsprechend dem Stand der Technik mit einem Start-Bit 5, einigen Datenbits, wie dem Datenbit 6, und einem Stop-Bit 7. Die Nachricht 2 ist eine erweiterte Nachricht entsprechend der Erfindung und verwendet eine Verringerung der Dauer des Basis-Datenbits von 50%, mit einem Start-Bit, einigen Datenbits, die, wie in 3 erklärt, in ihrer Länge verringert sind, wie das Datenbit 8, und mehreren zusätzlichen Bits, wie das Zusatzbit 9, wie auch in 3 erläutert; sie endet ebenfalls mit einem Stop-Bit 7. Die Nachricht 3 hat die gleiche Struktur wie die Nachricht 2, jedoch mit einer höheren Taktrate, was eine insgesamt kürzere Nachricht bedeutet. Die Nachricht 4 hat die gleiche Struktur wie die Nachricht 2, jedoch mit einer niedrigeren Taktrate, was eine insgesamt längere Nachricht bedeutet.
Wenn es keinen Unterschied im Takt zwischen dem Sender und dem Empfänger gibt, fällt das beschriebene dreifache Abtastverfahren bereits perfekt zentriert in alle Datenbits, sowohl in die Basis-Datenbits als auch in die zusätzlichen, und das dreifache Abtasten der Stop-Bits tritt bei 3/8-tel, 4/8-tel und 5/8-tel ihrer nunmehr verringerten Zeitdauer ein, wie dies die Theorie in 3 andeutet. Wenn es eine Diskrepanz in der Taktrate zwischen dem Aussenden und dem Empfangen gibt, besteht die Gefahr, daß das dreifache Abtasten des letzten Datenbits oder das dreifache Abtasten des Stop-Bits aus dem Bereich herausfällt. Diese Tatsache, die auch bei den herkömmlichen Kommunikationssystemen besteht, führt jedoch zu einer Akzeptanz einer geringeren Taktdiskrepanz, wenn die Erfindung aufgrund der schmaleren Bitdauer angewendet wird. Praktisch wird, wenn alle Bits in den herkömmlichen Nachrichten 16 Takte lang sind, die erweiterte Nachricht entsprechend der Erfindung Datenbits aufweisen, die 8 Takte lang sind, wobei das Start- und das Stop-Bit jeweils 12 Takte lang sind. Entsprechend diesen Metriken ist eine herkömmliche Nachricht 1 von acht Datenbits, wie Datenbit 6, 160 Takte lang von 12 bis 17 (8×16 Takte + Start-Bit 5 = 16 Takte, + Stop-Bit 7 = 16 Takte). Entsprechend der gleichen Metrik und bei Verwendung einer Bitverringerung für dieses Beispiel von der Hälfte (50%), ist eine erweiterte Nachricht 2 von acht Basis-Datenbits, wie das Datenbit 8, und neun zusätzlichen Bits, wie das Zusatz-Bit 9, 160 Takte lang von 12 bis 17 ((der 8+9) × 8 Takte + das Start-Bit 5 = 12 Takte + das Stop-Bit 7 = 12 Takte).
Ein typisches dreifaches Abtastverfahren, wie in 3 erläutert, bedeutet, daß das letzte Abtasten 14 des letzten zusätzlichen Bits 9 in Nachricht 2 bei 145 Takten in Bezug auf die Zeit 12 eintritt. Die Berechnung ist wie folgt: Start-Bit = 12 Takte + (8 Basis-Datenbits × 8 Takte) + (8 zusätzliche Datenbits × 8 Takte) + 5 Takte. In der gleichen Nachricht 2 kennzeichnet der Übergang 15 das Ende des letzten zusätzlichen Datenbits 9 und gleichzeitig den Anfang des Stop-Bits 7. Dieser Übergang 15 tritt bei 148 Takten auf. Die Berechnung ist wie folgt: Start-Bit = 12 Takte + (8 Basis-Datenbits × 8 Takte) + (9 zusätzliche Datenbits × 8 Takte). In der gleichen Nachricht 2 tritt das erste Abtasten 16 des dreifachen Abtastens des Stop-Bits 7 bei 151 Takten auf. Die Berechnung ist wie folgt: Start-Bit = 12 Takte + (8 Basis-Datenbits × 8 Takte) + (9 zusätzliche Datenbits × 8 Takte) + 3 Takte.
Die kürzere Gesamtdauer der Nachricht 3 verglichen mit Nachricht 2 kann das Resultat eines Senders sein, der schneller als der Empfänger ist, oder eines Empfängers, der langsamer als der Sender ist; in beiden Fällen besteht die Gefahr, daß das letzte Abtasten 14 des letzten zusätzlichen Datenbits 9, das normalerweise nach der Dauer 10 auftritt, auf den Übergang zwischen dem letzten zusätzlichen Datenbit 9 und dem Stop-Bit 7 fällt. Um die Gesamtheit des dreifachen Abtastens des letzten zusätzlichen Datenbits 9 innerhalb der funktionellen Begrenzungen zu halten, kann die Sendergeschwindigkeit nicht schneller als (1/(1/148 × 145)) = 1.020689 mal der Empfängergeschwindigkeit sein.
Die längere die Gesamtdauer der Nachricht 4 verglichen mit der Nachricht 2 kann das Resultat eines Senders sein, der langsamer als der Empfänger ist, oder eines Empfängers, der schneller als der Sender ist; in beiden Fällen besteht die Gefahr, daß das erste Abtasten 16 des Stop-Bits 7, das normalerweise nach der Dauer 11 auftritt, auf den Übergang zwischen dem letzten zusätzlichen Datenbit 9 und dem Stop-Bit 7 fällt. Um die Gesamtheit des dreifachen Abtastens des Stop-Bits 7 innerhalb der funktionellen Begrenzungen zu halten, kann die Empfängergeschwindigkeit nicht langsamer als (1/(1/148 × 151) = 0.980132... mal der Sendergeschwindigkeit sein.
Eine praktische Implementierung der Erfindung, die mit dem MIDI-Standard kompatibel ist, basiert auch auf 1, wo alle Elemente dem Stand der Technik ähnlich sind mit Ausnahme von Block 6, bei dem die Seriell-Parallel-Umwandlung nicht durch einen herkömmlichen Standard-UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) sondern durch einen schnellen Mikrocontroller (Marke Scenix, Art SX 18) erfolgt, wobei das Softwareprogramm die gesamte notwendige Signalerkennung und -abtastung übernimmt. Auf ähnliche Weise wird der Block 10, die Parallel-Seriell-Umwandlung, auch nicht durch einen UART sondern durch einen anderen Satz von Softwareprogrammen durchgeführt, die in dem gleichen Mikrocontroller SX 18 ablaufen. Wie bei MIDI beträgt die Gesamtdauer einer Nachricht 320 Mikrosekunden, sind die Stecker 1, 12 und 14 vom Typ 5 Stecker nach DIN 180°, sind die Spannungsniveaus TTL-kompatibel und ist der Optokoppler vom Typ Sharp PC 900.
Das oben beschriebene Beispiel soll die Erfindung in einer praktischen Anwendung beschreiben, ohne jedoch deren Schutzumfang zu begrenzen, der nicht auf die MIDI-Umgebung begrenzt sein soll.
Entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung wird, um die enge Toleranz hinsichtlich der Geschwindigkeitsunterschiede zu überwinden, wenn das dreifache Abtastverfahren angewandt wird, eine andere Art der Signalaufbereitung beschrieben.
Diese Verfahren wird mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben, wobei sich die Zahlen im Text nur auf 6 beziehen.
Bei diesem neuen Verfahren wird das Signal nicht während der stabilen Phase der einzelnen Bits überprüft, sondern durch den Vergleich der Veränderungen des Signals mit einer Referenz-Zeitbasis. Das Verfahren entsprechend dieser Ausführungsform der Erfindung kann in einen Mikrocontroller implementiert werden, gestützt auf die eingebaute Peripherie und dem Programmablauf, oder nur in Hardware, indem nur Standard-Logik und Zähler benutzt werden.
In beiden Fällen werden zwei Timer/Zähler verwendet: der erste, genannt CAPTMR, wird jedes Mal wieder gestartet, wenn eine Änderung des Niveaus erkannt wird. Der zweite, genannt EOWTMR, wird verwendet, um das Ende der Nachricht festzustellen, falls keine Niveauänderungen zur Bildung des oder der letzten Bits der Nachricht vorhanden sind.
Gleichgültig, welche Implementierung (Hardware oder Software) auch verwendet wird, die folgenden Funktionsblöcke der Hardware sind erforderlich: Ein Input-Pin muß in der Lage sein, die Speicherung eines Zähler-/Timerwertes in einem Register auszulösen. Dieser Zähler/Timer ist ein Aufwärtszähler, genannt CAPTMR (Capture TiMeR). Das erwähnte Auslösen muß geeignet sein, eine Unterbrechung für die Softwareverarbeitung oder eine Aktivierung des erforderlichen Schaltkreises im Fall einer Implementierung ausschließlich durch Hardware zu erzeugen. Die Unterbrechung muß maskierbar sein. Der Zähler/Timer muß wiederstartfähig sein. Seine Zähldauer muß lang genug sein, um der Dauer des EOWTMR zu entsprechen. Das Auslösen muß zwischen 3 Moden auswählbar sein: gesperrt, nur fallende Flanken, fallende und steigende Flanken.
Ein anderes Zähler/Timer, genannt EOWTMR (End of Word TiMeR) ist ein Abwärtszähler, der benutzt wird, um das Ende der Nachricht festzustellen. Dieser Zähler/Timer muß in der Lage sein, zu einem Zeitpunkt 3, irgendwo innerhalb des Stop-Bits, zu zählen, und dessen genauer Wert wird später erklärt. Er muß eine Unterbrechung am Ende des Zählimpulses erzeugen. Diese Unterbrechung muß maskierbar sein.

– Ein Register, genannt CAPVAL, zum Kopieren und Manipulieren des Wertes, der zuerst in CAPTMR gespeichert wird, Ein Register, genannt ZUSAMMENGESETZTE NACHRICHT, in dem das decodierte Wort Bit für Bit ist zusammengesetzt wird.
– Ein Register, genannt BITPNTR, das als Zeiger zu den einzelnen Bits des Registers ZUSAMMENGESETZTE NACHRICHT dient
– ein Single-Flag-Register, genannt POL FLAG, das benutzt wird, um die Polarität der zusammenzusetzenden Bits zu definieren.

Der Rest des Verfahrens kann mit Bezug auf einen Logikschaltkreis oder die Programmierung in einen Mikroprozessor/Mikrocontroller mit gleichen Resultaten erklärt werden. Das Verfahren beruht auch auf einem Status, der geeignet ist, einen der 3 folgenden Zustände anzunehmen: RUHE, START und RUN. RUHE ist der Zustand, der der Periode zwischen Nachrichten entspricht, wenn die Leitung im Leerlauf ist und das System ein Start-Bit erwartet.
Der START-Zustand entspricht dem Moment zwischen der Erkennung der fallenden Flanke des Start-Bits und der nächsten Änderung im Signal (manchmal bis zum Stop-Bit, falls alle Datenbits null sind) oder zum EOWTMR-Ende-der-Zählung. Der RUN -Zustand folgt dem START-Zustand und entspricht dem Moment zwischen der nächsten Änderung im Signal, sobald der START-Zustand aktiviert wurde, und dem logischen Schluß, daß alle Datenbits bekannt sind, oder bis zum EOWTMR-Endeder-Zählung.
Wenn die Nachricht vorbei ist und alle Bits bekannt sind, geht der Zustand in RUHE über.
Bei der Initialisierung (siehe die INIT-Routine), wird EOWTMR gestoppt, das System ist im Zustand RUHE, und der Eingangserfassungskreis soll nur Signale mit fallenden Flanken erkennen und Interrupts erzeugen.
Wenn das Eingangssignal, das im Ruhezustand 12 war, jetzt auf das Niveau 13 abfällt, zum Zeitpunkt 1, wird die Sicherungshardware aktiviert und erzeugt einen Interrupt.
Die INPUT CAPTURE INTERRUPT-Routine wird dann aufgerufen und führt die folgenden Operationen aus: Kopieren des Wertes, der sich in CAPTMR befindet, nach CAPVAL, Zurücksetzen und Starten von CAPTMR.
Da der gegenwärtige Status RUHE ist, wird EOWTMR erneut geladen und ermöglicht es, zu zählen, der Zustand wird auf START geändert, BITPNTR wird eingestellt, um auf Bit null von ZUSAMMENGESETZTE NACHRICHT zu zeigen, das POL-Flag wird zurückgesetzt, und der Eingangserfassungskreis kann auf beide Polaritäten des Eingangssignals reagieren. Das System wartet jetzt eines von zwei möglichen Ereignissen: eine Änderung im Eingangssignal oder Ende-der-Zählung von EOWTMR.
Entsprechend einer ersten Möglichkeit wird, wenn keine Änderung im Eingangssignal eintritt, EOWTMR das Ende der Zählung erreichen und die EOWTMR- INTERRUPT-Routine wird aufgerufen. Dieses Programm führt die folgenden Operationen aus: Stoppen des EOWTMR, Auffüllen des Bits in ZUSAMMENGESETZTE NACHRICHT mit dem gegenwärtigen Wert des POL-Flags, bis der Wert von BITPNTR größer ist, als die Konstante LAST (vom Wert 17 in unserem Anwendungsfall), die das letzte Datenbit in der Nachricht ausdrückt. Danach wird die ZUSAMMENGESETZTE NACHRICHT, die alle Nullwert-Datenbits enthält, für die weitere Verarbeitung gespeichert, der ZUSTAND wird als RUHE definiert, und die Eingangserfassung soll nur auf fallenden Flanken des Eingangssignals reagieren. Die Routine ist dann beendet.
Die andere Möglichkeit beinhaltet, daß das Eingangssignal sich wenigstens einmal ändert, bevor EOWTMR das Ende-der-Zählung erreicht. In diesem START-Zustand führt die INPUT CAPTURE INTERRUPT-Routine die folgenden Schritte durch: Kopieren von CAPTMR nach CAPVAL, Änderung des Zustandes von START auf RUN, Setzen des POL-Flags auf 1, Subtrahieren des Wertes, der die Dauer eines Datenbits darstellt, dargestellt als Dauer 15 und genannt TBIT, von CAPVAL. Der verbleibende Wert wird mit TBIT verglichen. Dieses führt zu zwei möglichen Routen: Wenn er kleiner ist, bedeutet dies, daß das erste Datenbit 6 auf dem Niveau 12 ist, das Bit in ZUSAMMENGESETZTE NACHRICHT, auf das derzeitig BITPNTR zeigt, wird mit dem gegenwärtigen Wert des POL-Flags aufgefüllt, der Eins ist. BITPNTR wird erhöht und zeigt jetzt auf das zweite Datenbit. Das POL-Flag wird invertiert. Der letzte Teil der Routine überprüft, ob BITPNTR größer als die Konstante LAST ist, was zu diesem Zeitpunkt nicht zutreffend sein kann. Wenn jedoch der Wert, der in CAPVAL verbleibt, größer als TBIT ist, bedeutet dies, daß wenigstens das erste Datenbit gleich Null ist. In diesem Fall wird das Bit in ZUSAMMENGESETZTE NACHRICHT, auf das von BITPNTR gegenwärtig gezeigt wird, mit dem inversen Wert des POL-Flags geladen. BITPNTR wird erhöht, bevor es zurück in die Routine an den Punkt springt, an dem die TBIT-Konstante noch einmal von CAPVAL subtrahiert wird und leitet einen neuen Vergleich ein, und so weiter.
Das vollständige System basiert auf Vergleichen zwischen dem Wert, der durch einen Zähler/Timer CAPTMR über die Dauer von einen oder mehreren Bits gemeldet wird, möglicherweise einschließlich des Start-Bits, und dem restlichen Wert, nach aufeinanderfolgenden Subtraktionen, um festzustellen, wieviele Bits der gleichen Polarität erfaßt wurden. Der komplementäre Mechanismus, der sicherstellt, daß die Nachrichtenerkennung nicht aus der Synchronisierung heraus fallen kann, falls es keine Übergänge während des letzten Bits oder der letzten Bits der Nachricht gibt, wird mit einem anderen Zähler/Timer EOWMR durchgeführt. Seine ideale Dauer ist zur Zeit 3, prozentual gleich weit entfernt zwischen dem Anfang 2 des letzten Datenbits 7 und dem Ende 4 des Stop-Bits 8. Dieser Punkt x wird durch die folgende Formel angegeben, in der y die Dauer zwischen Moment 1 und 2 ist, z ist die Dauer zwischen Moment 1 und 4. x = √(y·z).
Zur Vereinfachung des Vergleiches und entsprechend der Metrik, die im Beispiel des dreifachen Abtastens verwendet wird, in dem die vollständige Nachricht eine Dauer von 160 hatte, entspricht der Punkt 2 140 und der Punkt 4 entspricht 160. Die Formel ergibt dann 149,6662955... als die optimale Dauer für EOWMR. Dieses entspricht theoretisch 6,9% der Toleranz in der Taktveränderung, verglichen mit +/2%, die beim dreifachen Abtastverfahren zugelassen werden.
Dennoch ist die effektive Toleranz tatsächlich durch die folgende Formel gegeben: x = T/M, wo x als Dauer 9 in der Zeichnung erscheint, T ist die Dauer von TBIT 15, und M ist die Dauer, die zwischen den Punkten 1 und 4 enthalten ist.
Fortfahrend mit der gleichen Metrik wird die praktische Formel zu x = 5/160. Die praktische Toleranz des Systems gegenüber Taktveränderungen ist 5%, eine Verbesserung von 2,5 verglichen mit dem dreifachen Abtastverfahren.

Claims

Ein Verfahren zur Erhöhung der Daten-/Bitrate bei der Übertragung von Informationen zwischen wenigstens zwei Vorrichtungen, gemäß dem Informationselemente, die einander in einer zeitlichen Sequenz folgen, über einen elektrischen oder optischen Träger geleietet werden, wobei die besagten Informationselemente aus Paketen von Bits bestehen, die Nachrichten bilden, die eine oder mehrere Daten und/oder Adressen der Vorrichtungen enthalten, für die diese Daten bestimmt sind, wobei das besagte Verfahren die Kompatibilität mit den vorhandenen Kommunikationssystemen der Vorrichtungen beibehält und dennoch eine Zunahme der Menge der verschiedenen bestimmten Nachrichten erlaubt, die ein System zu übermitteln in der Lage ist, wobei das Verfahren umfaßt: – das Erzeugen einer seriellen Nachricht, die durch eine zeitliche Sequenz von binären Übergängen, genannt Bits, kodiert wird, – das Verringem der zeitlichen Länge aller Bits in einer Nachricht durch das Umwandeln dieser in kürzere Bits, genannt "reduzierte Bits", um zusätzliche Bits einzufügen, deren halbe Dauer auf den Zeitpunkt fällt, in dem die Übergänge zwischen unveränderten Bits eintreten, wenn keine zusätzlichen Bits eingefügt werden, – das Festlegen des Punktes der halben Dauer aller reduzierten Datenbits auf den gleichen Zeitpunkt wie bei der unveränderten Nachricht, – das Halten der Gesamtdauer der Nachricht, welche die Zusatzbits enthält, identisch zur Gesamtlänge der unveränderten Nachricht.
Das Verfahren gemäß Anspnuch 1, wobei die Dauer der Datenbits um 50 % verringert wird und die Dauer der Anfangs- und Endbits um 25% verringert wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Träger ein Kabel ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die zeitliche Sequenz der binären Übergänge als mögliches Vorhandensein eines Stromes implementiert wird, der durch den elektrischen Träger fließt und der einen AUS-Zustand und einen EIN-Zustand aufweist, wobei diese jeweils durch ein Fehlen beziehungsweise ein Vorhandensein eines Stromes in dem besagten elektrischen Träger realisiert werden .
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Nachrichten Datenbits, ein Stopbit und ein Anfangsbit enthalten und wobei die Dauer des ursprünglichen Datenbits um 50 % verringert wird und die Dauer des ursprünglichen Anfangs- und Stopbits um 25 % verringert wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Übertragung der Informationen mit dem MIDI-Standard konform ist und die Nachricht eine MIDI-Nachricht ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem, um den Inhalt der Nachricht zurückzutransformieren, das Signal dreifach abgetastet wird.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Inhalt der Nachricht zurücktransformiert wird, indem die Veränderungen des Signal mit einer Referenz-Zeitbasis verglichen werden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem zwei Timer/Zähler vorgesehen sind, von denen der erste jedes mal neu gestartet wird, wenn eine Änderung im Pegel erkannt wird, während der zweite dazu verwendet wird, das Ende einer Nachricht zu erkennen, falls keine Änderungen im Pegel vorhanden sind, die das letzte Bit oder die letzten Bits der Nachricht bilden.
Eine Vorrichtung, die eine größere Informationsrate bei der Übermittlung von Informationen zwischen wenigstens zwei Anordnungen erlaubt, als dies gemäß einem ersten existierenden Kommunikationsstandard möglich ist, und die umfaßt: – Mittel zum Verbinden einer ersten Vorrichtung mit einer zweiten Vorrichtung über einen elektrischen Träger; – Mittel für das Ereugen eines Informationflusses zwischen den zwei Vorrichtungen in Form von Elementen, die einander in zeitlicher Sequenz in dem elektrisch Träger folgen und die durch ein Fehlen und ein Vorhandensein eines Stromes innerhalb des elektrischen Trägers realisiert werden, wobei die besagte Information aus Paketen von Bits besteht, die Nachrichten bilden, die eine oder mehrere Daten und/oder Adressen der Vorrichtungen enthalten, für die diese Daten bestimmt sind, – daß jede Vorrichtung einen Emitterbereich und einen Empfängerbereich umfaßt, die kompatibel mit dem Stand der Technik des besagten ersten Kommunikationsstandards sind, – Mittel für das Kodieren der Information sowohl in dem besagten ersten Kommunikationsstandard als auch in einem zweiten erweiterten Kommunikationsstandard, – wobei die besagten Mittel für die Kodierung eine serielle Nachricht erzeugen, die mittels einer zeitliche Sequenz von binären Übergängen kodiert ist, die die besagten Bits bilden, wobei die besagten Mittel für die Kodierung gemäß des erweiterten Kommunikationsstandards einen Schaltkreis aufweisen, der einen Standard-UART ersetzt, der den Leistungsverstärker ansteuert, wobei der besagte Schaltkreis in der Lage ist, den Strom der binären Informationen zeitlich zu modulieren, um die Zeitdauer aller Bits in der Nachricht dadurch zu verringern, daß sie in kürzere Bits, sogenannte "verkürzte Bits", umgewandelt werden, und um Zusatzbits einzufügen, deren halbe Dauer auf den Zeitpunkt fällt, in dem die Übergänge zwischen den unveränderten Bits gemäß dem ersten Kommunikationsstandard auftreten würden, wenn keine Zusatzbits eingesetzt werden.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei der erste Kommunikationsstandard dem MIDI-Standard entspricht.