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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektrisch betriebene Schaltungen
und insbesondere eine Phasenregelkreissteuerung für ein Frequenzsprungfunkgerät.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Geräte, die
mit drahtlosen Kommunikationstechniken arbeiten, verbreiten sich
in der modernen Gesellschaft zunehmend. Eine unvermeidliche Folge
dieses Trends ist, dass Frequenzspektren immer überfüllter und störanfälliger werden.
Gleichzeitig sorgen sich Verbraucher in zunehmendem Maße um die
Vertraulichkeit und Sicherheit von drahtlosen Kommunikationen. Demzufolge
greifen Systemtechniker, die eine Vielfalt von drahtlosen Kommunikationssystemen
inklusive zellularer und schnurloser Telefone konstruieren, in zunehmendem
Maße auf
digitale Streuspektrum-Signalisierungsmethoden
zurück,
um höhere
Sicherheit, bessere Signalabstände und
eine effizientere Bandbreitenauslastung zu erzielen, als mit herkömmlichen
Signalisierungsmethoden wie Amplituden- oder Frequenzmodulation
ohne Bandbreitenstreuung erzielt werden können.
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Eine
gängige
Streuspektrum-Signalisierungstechnik ist als Frequenzsprung-Streuspektrum („FHSS") bekannt. FHSS-Systeme arbeiten,
indem sie ihre Abstimmfrequenz in einem bekannten, Sprungsequenz
genannten Muster rasch ändern. Mehrere
Benutzer, die jeweils andere Sprungsequenzen benutzen, können über unabhängige Kommunikationskanäle gleichzeitig
in einem einzigen Frequenzbereich kommunizieren. Die
GB 2101847 beschreibt ein System zum
Auswählen
eines Kanals aus einer Gruppe von verfügbaren Kanälen. Ein weiteres Beispiel
für ein
Frequenzsprung-Kommunikationssystem,
in dem Daten mit einer Frequenzsprungsequenz gesendet und empfangen
werden können, ist
in der
US 4 837 823 beschrieben.
Da FHSS-Systeme darauf beruhen, dass sich Empfänger und Sender schnell auf
die gewünschte
Frequenz einstellen, erfordern viele Designs des Standes der Technik
jedoch die Aufwendung erheblicher Prozessorzeit der Mikrosteuerung
für wiederholtes
Programmieren eines Phasenregelkreises zum Einstellen auf neue Kanäle.
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Beim
Konstruieren drahtloser Kommunikationssysteme unter Verwendung von
tragbaren Geräten
ist die Lebensdauer der Batterie des tragbaren Gerätes ein
wesentlicher Designparameter. Einige tragbare FHSS-Geräte des Standes
der Technik verlängern
ihre Batterielebensdauer erheblich, indem sie periodisch in einen „Schlummer"-Modus gehen, in dem
viele Systemkomponenten nicht mit Strom gespeist werden. Die Ansprechempfindlichkeit
des tragbaren Gerätes
wird jedoch häufig
erheblich beeinträchtigt,
weil das Gerät
nach dem „Aufwachen" aus dem Schlummermodus
zuerst eine komplette Neusynchronisationsprozedur durchlaufen muss,
bevor die Kommunikation mit der Basiseinheit wieder aufgenommen
werden kann. Andere Systeme können die
Synchronisation ständig
behalten, wenn auch auf Kosten einer geringeren Batterielebensdauer.
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Ein
weiterer, besonders vorteilhafter Aspekt von FHSS-Systemen ist die
Fähigkeit,
Interferenzen auf einem bestimmten Frequenzkanal dadurch zu vermeiden,
dass die Kanäle
in der Sprungsequenz dynamisch gewechselt werden, wobei eine neue „klare" Kanalfrequenz eine
erfasste „schlechte" Kanalfrequenz ersetzt.
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Phasenregelkreisschaltungen
erfordern vor dem Gebrauch eine spezielle Konfigurationsprogrammierung.
Zudem möchten
Designer evtl. eine spezielle Steuerung des Phasenregelkreises bei
Diagnostik oder anderen Betriebsarten ermöglichen.
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Ferner
ist es beim Entwerfen eines digitalen drahtlosen Kommunikationssystems
häufig
wünschenswert
es zu ermöglichen,
dass eine tragbare Einheit mit einer aus einer Mehrzahl von über eine Region
verteilten Basiseinheiten kommuniziert, wie z.B. beim Implementieren
eines Zellulartelefonsystems. Mit dieser Konfiguration kann ein
Benutzer der tragbaren Einheit über
einen großen
Bereich kommunizieren, während
lediglich genügend
Sendeleistung zum Erreichen der nächsten Basiseinheit erforderlich ist.
Demzufolge wird die Batterielebensdauer der tragbaren Einheit verbessert
und Interferenzen mit anderen nahe gelegenen Benutzern des Frequenzbandes
werden verringert. Zum Implementieren einer solchen Funktionalität in einem
FHSS-System müssen
jedoch Transceiver in der tragbaren Einheit und in der Basiseinheit
synchronisierte Sprungsequenzen haben, so dass eine tragbare Einheit
mit jeder Basiseinheit kommunizieren kann, auf der dieselbe Sprungsequenz
geladen ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Wir
haben die Probleme und Eigenschaften der oben erörterten drahtlosen Telekommunikationssysteme
erkannt. Wir haben insbesondere den Bedarf erkannt, eine in Hardware
ausgeführte
Phasenregelkreissteuerung zum Programmieren eines Phasenregelkreises
bereitzustellen, um es dadurch zu ermöglichen, dass die Universalmikrosteuerung
ihre Prozessorleistung für
die Ausführung
fortschrittlicherer Funktionalität
aufwendet. Wir haben auch den Bedarf erkannt, eine PLL-(Phasenregelkreis)-Steuerung
bereitzustellen, die es ermöglicht,
dass ein Transceiver in einen sehr leistungsarmen Schlummermodus
eintritt und doch die Kommunikation unmittelbar nach dem Aufwachen
wieder aufnehmen kann. Wir haben ferner den Bedarf erkannt, eine
einfache Implementation einer dynamischen Kanalzuweisung zuzulassen.
Wir haben ferner den Bedarf erkannt, eine Umgehung der vorgabemäßigen Hardware-gesteuerten
Phasenregelkreis-Programmiersequenz zuzulassen und eine in Hardware
ausgeführte PLL-Steuerung
mit Sprungsynchronisationsports bereitzustellen, die zum Synchronisieren
der Sprungsequenzen mehrerer Einheiten in einem System verwendet
werden kann.
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Die
Erfindung ist in den Ansprüchen
definiert, auf die nunmehr Bezug genommen werden sollte.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung wird eine in Hardware ausgeführte Phasenregelkreissteuerung
bereitgestellt, die einen indirekten Adressieransatz zum Zugreifen
auf PLL-Daten für
eine wiederholte Programmierung eines Phasenregelkreises mit einer
festen Geschwindigkeit nutzt. Die Ausgestaltung besteht aus einem
Sprungzähler,
einem Musterregister, einer PLL-Datentabelle und einer Datensteuerschaltung.
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Der
Sprungzähler
inkrementiert periodisch seinen Zustand zwischen null und einem
vorgegebenen Maximalwert. Nach dem Erreichen des Maximalwertes wird
der Zählerzustand
auf null zurückgesetzt. Gemäß einem
Aspekt einer Ausgestaltung kann der Sprungzähler seine Sprungsequenzsynchronisation behalten,
während
ein Transceiver in einen leistungsarmen Schlummermodus gesetzt wird,
so dass die Kommunikation nach dem Aufwachen sofort wieder aufgenommen
werden kann. Gemäß einem
anderen Aspekt einer Ausgestaltung kann der Sprungzähler zwischen
mehreren Transceivern in einem Kommunikationssystem synchronisieren.
Der Sprungzähler kann
nach dem Erreichen seines Maximalzustands ein Sync-Signal erzeugen,
das zu zusätzlichen
Transceivern im System gesendet werden kann, um die gleichzeitige
Rückstellung
zusätzlicher
Sprungzähler zu
erzwingen.
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Das
Musterregister ist ein adressierbarer Speicherbereich, der vom Sprungzähler adressiert wird
und der die Sprungsequenz enthaltende Kanalnummern ausgibt. Gemäß einem
Aspekt einer Ausgestaltung kann das Musterregister einen Eingang beinhalten,
so dass eine externe Schaltung neue Werte auf Stellen im Musterregister
schreiben kann, so dass die Implementation von dynamischen Kanalzuweisungstechniken
ohne Kommunikationsunterbrechung ermöglicht wird.
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Die
PLL-Datentabelle konvertiert die Kanalnummer, auf die der Phasenregelkreis
abgestimmt werden soll, in die Steuerwörter, die den Phasenregelkreis
auf die gewünschte
Frequenz einstellen. Die speziellen Steuerwörter können je nach dem Design der
Phasenregelkreisschaltung variieren.
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Die
Datensteuerschaltung stellt eine Programmierschnittstelle zum Senden
des PLL-Datentabellenausgangs
zum Phasenregelkreisgerät
bereit. Zum Beispiel, viele Phasenregelkreisgeräte werden über eine serielle Programmierschnittstelle
programmiert, und in diesem Fall kann die Datensteuerschaltung einen
Parallel-Serien-Konverter
beinhalten und kann ferner Takt- und Frame-Signale nach Bedarf des
PLL-Programmiermodells weiter synthetisieren. Falls gewünscht, kann
die Datensteuerschaltung auch Signale zum Steuern der RF-Schaltungsfunktionalität bereitstellen,
wie dies zum Bewirken eines korrekten Kanalwechsels gewünscht wird.
Schließlich
kann die Datensteuerschaltung Maßnahmen zum Umgehen eines Eingangs
beinhalten, durch den eine externe Schaltung die PLL-Programmierung
unabhängig
vom PLL-Datentabellenausgang
steuern kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer Ausgestaltung der Erfindung,
ausgeführt
in einem Frequenzsprung-Funksystem mit externer Mikrosteuerung,
die die Zahl der Frequenzen im Sprungmuster festlegt und dynamische
Kanalzuweisung implementiert, und diese Ausgestaltung steuert auch
zusätzliche
externe Schaltungen über
dedizierte Steuerleitungen.
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung, ausgeführt
in einem Frequenzsprung-Funksystem, das es auch zulässt, dass
ein externer Mikroprozessor den vorgabemäßigen Steuerbetrieb umgeht
und den PLL programmiert, und diese Ausgestaltung steuert auch zusätzliche
externe Schaltungen über
eine mit dem PLL gemeinsame serielle Schnittstelle.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung kann zwar Gegenstand vieler unterschiedlicher
Ausgestaltungsformen sein, aber es werden hier in den Zeichnungen
mehrere spezielle Ausgestaltungen ausführlich dargestellt und beschrieben,
mit der Maßgabe,
dass die vorliegende Offenbarung als eine Exemplifizierung des Grundsatzes
der Erfindung und nicht als die Erfindung auf illustrierte Ausgestaltungen
begrenzend anzusehen ist.
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1 der
Zeichnungen illustriert eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung,
die eine in Hardware implementierte Phasenregelkreis-(„PLL")-Steuerung umfasst.
Speziell, die PLL-Steuerung nutzt einen indirekten Adressieransatz
zum Zugreifen auf PLL-Daten für
eine wiederholte Programmierung eines PLL mit einer festen Geschwindigkeit
gemäß einer
vorgegebenen Sequenz von Abstimmfrequenzen.
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm der PLL-Steuerung 10 sowie der Verbindung
zwischen PLL-Steuerung 10 und zugehörigem externem Schaltkomplex
inklusive PLL 41 und fakultativer Mikrosteuerungseinheit
(„MCU") 40. Die
PLL-Steuerung 10 setzt
sich aus dem Sprungzähler 20,
dem Musterregister 21, der PLL-Datentabelle 22 und
der Datensteuerschaltung 23 zusammen.
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Der
Sprungzähler 20 beinhaltet
einen Zähler, der
seinen Zustand in regelmäßigen periodischen
Intervallen inkrementiert. Wie üblicherweise
in einem Frequenzsprung-Funksystem
ausgeführt,
inkrementiert der Sprungzähler 20 viele
Male pro Sekunde. Wenn der Zustand des Sprungzählers 20 einen Maximalzustand
erreicht, dann wird er auf null zurückgesetzt und das Heraufzählen beginnt
erneut. Der vorgegebene Maximalzustand kann entweder vorbestimmt
sein oder er kann durch eine fakultative externe MCU 40 über eine
Verbindung 32 festgelegt werden. Die Verbindung 32 besteht
im Allgemeinen aus einer elektrischen Verbindung zwischen der MCU 40 und
dem Sprungzähler 20,
so dass die MCU 40 eine maximale Anzahl von Zuständen für den Sprungzähler 20 programmieren
kann.
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In
einigen Implementationen, wie z.B. in Systemen mit mehreren Transceivern,
kann der Sprungzähler 20 einen
Sprungsynchronisationseingang 30 und einen Sprungsynchronisationsausgang 31 enthalten.
Ein an den Sprungsync-Eingang 30 angelegtes Signal setzt
den Sprungzählerzustand
zwangsweise zurück.
Ebenso legt der Sprungsync-Ausgang 31 ein Signal an, nachdem
der Sprungzähler 20 seinen
Maximalzustand erreicht hat. In einem System mit mehreren Transceivern
kann der Sprungsync-Ausgang 31 eines
ersten Transceivers an den Sprungsync-Eingang 30 eines zweiten Transceivers angelegt
werden, wodurch bewirkt wird, dass mehrere Transceiver ihre jeweiligen
Sprungsequenzen synchron durchlaufen.
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Die
oben erwähnte
Sprungsequenzsynchronisation zwischen Transceivern kann mehrere
Vorteile in einem Kommunikationssystem bieten, die beinhalten, dass
eine oder mehrere tragbare Einheiten mit mehreren Basiseinheiten kommunizieren.
Die Vorteile ergeben sich aus der Tatsache, dass, wenn Sprungsequenzen über ein
solches System synchronisiert werden, jedes tragbare Gerät einfach
durch Laden einer gemeinsamen Sprungsequenz mit jeder Basiseinheit
kommunizieren kann. Zum Beispiel, in einer Büroumgebung mit drahtlosen Telefonen
kann ein Pool von verfügbaren
Basiseinheiten dynamisch entsprechenden tragbaren Einheiten auf
der Basis eines Bedarfs an tragbaren Einheiten zugewiesen werden,
wodurch eine Systemimplementation mit einer verringerten Anzahl
von Basiseinheiten ermöglicht
wird. Ebenso braucht bei einer Bereitstellung mehrerer Basiseinheiten,
die über
den Versorgungsbereich des Systems verteilt sind, eine tragbare
Einheit lediglich mit genügend
Leistung zu senden, um an der nächsten
verfügbaren
Basiseinheit ausreichend empfangen zu werden. Die reduzierte Sendeleistung
erhöht
die Batterielebensdauer der tragbaren Einheiten und reduziert Interferenzen
mit anderen in der Nähe
befindlichen Geräten,
die gleichzeitig auf demselben Frequenzband arbeiten. Ferner kann, wenn
sich ein tragbarer Benutzer von einer Basiseinheit weg in Richtung
auf eine andere bewegt, der Anruf nahtlos und unterbrechungsfrei
zwischen Basiseinheiten „weitergereicht" werden, indem die Sprungsequenz
der tragbaren Einheit in die Anfangsbasiseinheit geladen wird, bevor
die Verbindung mit der Endbasiseinheit beendet wird.
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Ein
weiteres Merkmal der PLL-Steuerung 10 ist, dass die Sprungsequenzsynchronisation
leicht während
des leistungsarmen „Schlummer"-Betriebsmodus eines
Handset-Transceivers
beibehalten werden kann. Durch Fortsetzen der Leistungsversorgung
nur zum Sprungzähler 20 bleibt
der Sprungzähler 20 mit
anderen Geräten
im System synchronisiert, ausgenommen in dem Ausmaß, dass
eine Frequenzabwanderung des Oszillators im Sprungzähler 20 relativ
zu den anderen Geräten
Ungenauigkeiten verursacht. Daher können andere Sende- und Empfangsschaltkomplexe
von der Leistungsversorgung abgetrennt werden, wenn dies nicht zum
Sparen von Strom und zum Maximieren der Batterielebensdauer nötig ist.
Kommunikationen können
unmittelbar nach dem Aufwachen des Transceivers in den Vollleistungsmodus
sofort wieder aufgenommen werden, indem Schlummerperioden auf eine
Länge begrenzt werden,
nach der jede aufgetretene geringfügige Frequenzverschiebung lediglich
eine Bitausrichtung und keine vollständige Sync-Neuerfassung erfordert. Die akzeptable
maximale Schlummerzeit ist von der Präzision des Sprungzähleroszillators
und von der Senderate (oder Bitperiode) abhängig und kann von einer durchschnittlichen
Fachperson ermittelt werden.
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Der
Ausgang des Sprungzählers 20 wird elektrisch
mit dem Adresseingang des Musterregisters 21 verbunden.
Das Musterregister 21 speichert die Frequenzkanalnummern,
die die Sprungsequenz an aufeinander folgenden Speicherstellen umfassen. Der
Ausgang des Musterregisters 21 sendet daher eine Frequenzkanalnummer
zur PLL-Datentabelle 22. Das Musterregister 21 kann
bei Bedarf einen Speicherschreibport 33 aufweisen. Der
Speicherschreibport 33 lässt es zu, dass ein externer
Schaltkomplex wie z.B. die MCU 40 den Frequenzkanal wechselt,
der an einer bestimmten Speicherstelle des Musterregisters enthalten
ist. Der Speicherschreibport 33 erlaubt somit eine praktische
Implementation verschiedener dynamischer Kanalzuweisungstechniken.
Dynamische Kanalzuweisung ist ein vorteilhaftes Merkmal von Frequenzsprungradios,
so dass die Effekte von Störquellen
mit fester Frequenz oder von Kanalverschlechterungen dadurch vermieden
werden können, dass
die Frequenz, auf der Kommunikationen beeinträchtigt sind, aus der Sprungsequenz
entfernt und durch eine neue Frequenz ersetzt wird. Wenn Störungen auf
der neuen Frequenz geringer sind als auf dem ersetzten Kanal, dann
wurde die Gesamtqualität
der Kommunikationsverbindung verbessert. Kanalbewertungs- und -zuweisungsentscheidungen
erfolgen in der illustrierten Ausgestaltung durch die MCU 40.
Es sind in der Technik mehrere dynamische Kanalzuweisungsverfahren
bekannt.
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Die
PLL-Datentabelle 22 enthält die PLL-Befehlswörter, die
zum Programmieren des PLL auf jeden Frequenzkanal nötig sind.
Sie gibt die Befehlswörter
aus, die den PLL 41 auf die Frequenz programmieren, die
durch die vom Musterregister empfangene Kanalnummer angezeigt wird.
Der genaue Inhalt der Befehlswörter
hängt von
Design und Programmierungsmodell des jeweiligen benutzten PLL ab,
wie der durchschnittlichen Fachperson bekannt sein wird.
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Der
Ausgang der PLL-Datentabelle 22 ist elektrisch mit der
Datensteuerschaltung 23 verbunden, die tatsächlich das
Phasenregelkreisgerät 41 über die
Schnittstelle 35 programmiert. Die Datensteuerschaltung 23 führt die
Formatkonvertierungen aus und implementiert die vom Programmierprotokoll des
PLL 41 benötigte
Programmierschnittstelle. Zum Beispiel, viele Phasenregelkreisgeräte werden über eine
serielle Programmierschnittstelle programmiert, und in diesem Fall
beinhaltet die Datensteuerschaltung einen Parallel-Serien-Konverter und synthetisiert
Takt- und Frame-Signale für
die Übertragung über die
Schnittstelle 35.
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Drahtlose
Kommunikationsgeräte
enthalten üblicherweise
sowohl Sender- als auch Empfängerschaltungen.
Demgemäß könnte die
vorliegende Erfindung von einer durchschnittlichen Fachperson in zahlreichen Ausgestaltungen
zum Steuern von Sende- und Empfangs-PLLs benutzt werden. Zum Beispiel,
in einer Ausgestaltung, in der Sende- und Empfangskommunikationen
zeitduplexiert sind und ein einziger PLL für Sende- und Empfangsschaltungen benutzt
wird, kann der Ausgang der PLL-Datentabelle 22 sowohl Sende-
als auch Empfangs-PLL-Programmierwörter enthalten. Die Datensteuerschaltung 23 programmiert
dann sequentiell den PLL 41 auf die Sende- und Empfangsfrequenzen.
Alternativ kann, wenn separate PLLs für Sende- und Empfangsschaltungen
verwendet werden, eine Ausgestaltung der Erfindung verwendet werden,
die parallele Empfangs- und Sende-PLL-Datentabellen und Datensteuerschaltungen
beinhaltet, so dass jeder PLL von einem gemeinsamen Sprungzähler und
Musterregister angesteuert, aber von separaten Datentabellen und
Steuerschaltungen programmiert wird. Solche alternativen Ausgestaltungen
liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung insofern, als sie für die Fachperson
im Hinblick auf die hierin gegebene Offenbarung bekannt wären.
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Zusätzlich liefert
die Datensteuerschaltung 23 bei Bedarf Signale zum Steuern
verschiedener Aspekte der RF-Schaltungsfunktionalität. Zum Beispiel,
es kann wünschenswert
sein, einen Sender und/oder Empfänger
in Nichtgebrauchsperioden von der Stromversorgung abzutrennen, um
Strom zu sparen und die Batterielebensdauer zu verlängern. Ferner
ist es häufig
wünschenswert,
einen Sender von der Stromversorgung abzutrennen, während der PLL
Frequenzen wechselt, um unerwünschte
Energieübertragungen
auf Nebenfrequenzen während der
PLL-Abstimmerfassung zu vermeiden. In einem solchen Beispiel kann
die Datensteuerschaltung 23 verschiedene Steuerleitungen 36 beinhalten,
die wie in 1 gezeigt mit RF-Schaltungsstromversorgungen 42 verbunden
sind. Die Datensteuerschaltung 23 kann dann die Leitung 36 zum
Deaktivieren von Versorgungen 42 aktivieren, um dadurch
den Sender abzuschalten, bevor der PLL 41 mit einem neuen
Tuning programmiert wird. Die Steuerschaltung 23 kann dann
die Aktivierung der Leitung 36 zum Reaktivieren der Stromversorgungen 42 aufheben,
nachdem sich der PLL auf die neue Frequenz aufgerastet hat, um dadurch
das Senden auf der neuen Frequenz wieder aufzunehmen. 2 illustriert
eine alternative Ausgestaltung, in der externe Stromversorgungen 42 ein Knoten
auf einer gemeinsamen seriellen Programmierschnittstelle 35 sind,
und in diesem Fall werden Stromversorgungen 42 über serielle
Befehle von der Datensteuerschaltung 23 adressiert und
gesteuert.
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Schließlich kann
die Datensteuerschaltung 23 bei Bedarf eine Umgehungseinheit 34 wie
in 2 gezeigt beinhalten. Die Umgehungseinheit 34 lässt es zu,
dass die externe Schaltung MCU 40 den Ausgang der Datensteuerschaltung 23 unabhängig von
von der PLL-Datentabelle 22 empfangenen
Befehlen direkt steuert. Dieses Merkmal kann beispielsweise zum
Senden von Initialisierungsbefehlen zum PLL 41 nach dem
Hochfahren des Gerätes
benutzt werden, um einen PLL-Diagnostik-Testbetriebsmodus bereitzustellen.
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Die
obige Beschreibung sowie die Zeichnungen erläutern und illustrieren die
Erfindung lediglich und die Erfindung ist nicht darauf begrenzt,
ausgenommen in dem Umfang, in dem die beiliegenden Ansprüche so begrenzt
sind, insofern als die Fachperson im Hinblick auf die vorliegende
Offenbarung in der Lage sein wird, Modifikationen und Variationen daran
vorzunehmen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.