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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur FSK-Modulation zur
Erzeugung eines Ausgangssignals, das durch eine Wechselfolge von
Signalen mit einer ersten Frequenz und von Signalen mit einer zweiten
Frequenz gebildet wird.
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Die
Erfindung findet Anwendung bei der Datenübertragung über Trägerströme in einem Kraftfahrzeug durch
das Senden von FSK-Signalen über Kabel,
die für
die Energieversorgung von fahrzeuginternen Verbrauchern bestimmt
sind, zur Steuerung von Stromverbrauchern, wie z. B. von Beleuchtungselementen,
oder zur Übertragung
von Informationen von Sensoren. Diese Übertragung bedient sich verschiedener
Wandlungsstufen, wobei eine solche Stufe darin besteht, ein Eingangssignal
in ein FSK-Ausgangssignal
zu wandeln. Das Eingangssignal wird beispielsweise durch eine Wechselfolge
aus einem ersten Spannungswert und einem zweiten Spannungswert gebildet.
Die Abkürzung
FSK(Frequency Shift Keying) bedeutet Modulation durch Phasenverschiebung,
d.h. dass das Ausgangssignal ein periodisches Signal mit einer ersten
Frequenz ist, wenn das Eingangssignal den ersten Spannungswert hat,
und mit einer zweiten Frequenz, wenn das Eingangssignal den zweiten
Spannungswert hat.
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In
einem bekannten Modulationsverfahren wird ein hochfrequentes Bezugssignal
durch zwei nahe beieinander liegende, ganze Zahlen geteilt, um somit
zwei Generatoren zu bilden, die ihrerseits ein Signal mit einer
ersten Frequenz und ein Signal mit einer zweiten Frequenz erzeugen.
Die Modulation besteht in der Bildung eines Ausgangssignals durch Umschalten
zwischen der ersten und der zweiten Frequenz in Abhängigkeit
des Spannungswertes des Eingangssignals. Durch Anordnung eines 100 MHz-Generators
mit einem Teiler, der durch 99 teilt und einem Teiler, der durch
101 teilt, erhält
man eine erste Frequenz in Höhe
von 1,01 MHz und eine zweite Frequenz in Höhe von 0,99 MHz. Der Einsatz
dieses Verfahrens für
eine Schaltung, die um 2 MHz modulieren kann, erfordert demzufolge
einen Generator, der ein Bezugssignal mit einer Frequenz von 200 MHz
liefern kann. Da die Kosten eines Generators umso höher werden,
je größer seine
Frequenz ist, bringt der notwendige Einsatz eines 200 MHz-Generators
zur Bildung einer Schaltung, die um 2 MHz modulieren kann, erhebliche
Mehrkosten mit sich. Andererseits müssen sowohl dieses, als auch
andere bestehende Verfahren in einer elektronischen Analogschaltung
eingesetzt werden, wodurch sich beträchtliche Entwicklungszeiten
und damit nicht zu vernachlässigende
Mehrkosten ergeben.
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Das
Ziel der Erfindung besteht in der Beseitigung dieser Nachteile,
indem ein Verfahren zur Erzeugung eines FSK-Ausgangssignals vorgeschlagen wird,
das nur geringe Herstellungskosten verursacht und in eine digitale
Schaltung implementiert werden kann.
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Zu
diesem Zweck hat die Erfindung ein Verfahren zur FSK-Modulation
zur Erzeugung eines aus einer Wechselfolge von Signalen mit einer
ersten Frequenz und von Signalen mit einer zweiten Frequenz gebildeten
Ausgangssignals zum Gegenstand, das darin besteht, das konstante
und rechteckige Bezugssignal in eine Reihe von n aufeinander folgenden
Sekundärsignalen
derselben Frequenz wie das Bezugssignal zu wandeln, wobei die Phasen von
zwei aufeinander folgenden Sekundärsignalen um einen Wert von
360/n Grad zueinander verschoben sind, und durch Division des Referenzsignals
ein Umschaltsignal mit einer dritten Frequenz zu bilden, um das
Ausgangssignal mit der ersten Frequenz durch in der dritten Frequenz
zyklisches Umschalten der Sekundärsignale
in Richtung der Reihe der Sekundärsignale
zu erzeugen und um das Ausgangssignal der zweiten Frequenz durch
in der dritten Frequenz zyklisches Umschalten der Sekundärsignale entgegengesetzt
zur Richtung der Reihe der Sekundärsignale zu erzeugen.
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Nach
diesem Verfahren wird das Ausgangssignal aus einer Bezugsfrequenz
gebildet, die zwischen der ersten und zweiten Frequenz liegt. Dadurch
dass diese Frequenz niedriger liegt, sind die Herstellungskosten
eines Modulators, der dieses Verfahren anwendet, bedeutend geringer.
Dieses Verfahren kann in einem digitalen Mikrocontroller vorteilhaft
eingesetzt werden.
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Die
Anzahl n bezeichnet eine ganze Zahl deren Wert in Abhängigkeit
von der gewünschten
Qualität
des Ausgangssignals gewählt
wird, wobei ein höherer
Wert zu einer Qualitätserhöhung des
Ausgangssignals führt.
Nach einer Ausführungsart
ist n gleich vier, wobei Tests ergeben haben, dass dieser Wert ausreicht,
um ein Ausgangssignal zu bilden, dessen erste und zweite Frequenz
um 2 MHz liegen.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung schließt dieses Verfahren eine Verarbeitung
zur Demodulation eines FSK-Signals ein, wobei dieses FSK-Signal
parallel zwei Mischern zugeführt
wird, die zur Bildung von zwei Mischsignalen jeweils von zwei um
90 Grad phasenverschobene Sekundärsignalen gesteuert
werden und diese beiden Mischsignale zur Bildung eines demodulierten
Signals einer Kippschaltung zugeführt werden. Diese Variante
kann zur Herstellung eines FSK-Modulators/Demodulators mit niedrigen
Herstellungskosten ebenfalls in einem Mikrokontroller implementiert
werden.
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Dieses
Verfahren erlaubt in vorteilhafter Weise eine Echoverarbeitung,
die in der Demodulation des Ausgangssignals besteht, um einen FSK-Modulationsfehler
durch Analyse des demodulierten Signals zu entdecken. Die Analyse
besteht beispielsweise darin, das demodulierte Ausgangssignal mit
dem Eingangssignal zu vergleichen und einen Fehler zu entdecken,
wenn beide Signale unterschiedlich sind.
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Im
nachfolgenden Teil der Beschreibung wird die Erfindung näher beschrieben
und in Bezug zu den beigefügten
Zeichnungen gesetzt, in denen eine Ausgestaltung beispielhaft, aber
nicht einschränkend,
dargestellt ist.
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1 zeigt
das erfindungsgemäße Verfahren
in Form eines Blockschaltbildes;
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2 ist
ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs, das die Erzeugung eines Ausgangssignals
mit der ersten Frequenz darstellt;
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3 ist
ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs, das die Erzeugung eines Ausgangssignals
mit der zweiten Frequenz darstellt;
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4 zeigt
eine Anwendungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines
Blockschaltbildes;
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5 ist
ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs, das die Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeigt.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Modulation eines
durch eine Wechselfolge zwischen einem ersten Spannungswert und
einem zweiten Spannungswert gebildeten Eingangssignals SE in ein Ausgangssignal SS vom Typ
FSK. Die FSK-Modulation eines solchen Eingangssignals SE besteht
in der Bildung eines Ausgangssignals SS mit
einer ersten Frequenz F1, wenn das Eingangssignal
SE den ersten Spannungswert erreicht hat,
und einer zweiten Frequenz F2, wenn das
Eingangssignal SE den zweiten Spannungswert erreicht
hat.
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Wie
in 1 dargestellt wird im Block 1 ein rechteckiges
Bezugssignal So mit einer konstanten Frequenz F0 erzeugt
und im Block 2 in eine Vielzahl von n aufeinander folgenden
Sekundärsignalen
gewandelt. Jedes Sekundärsignal
hat dieselbe Frequenz wie das Signal So, ist aber zu diesem phasenverschoben,
so dass die Phasen von zwei aufeinander folgenden Signalen im Block 2 (S1 und S2; S2 und S3; S3 und S4) zueinander
um einen Winkelwert von 360/n Grad verschoben sind, wobei n eine
ganze Zahl bezeichnet, deren Wahl weiter unten noch genauer erklärt wird.
Im Beispiel der 1 bis 5 ist n
gleich vier, so dass die Phasen von vier Sekundärsignalen S1,
S2, S3, S4 jeweils zum Referenzsignal So um 0, 90,
180, 270 Grad verschoben sind. Block 3 zeigt einen Umschalter,
der die Sekundärsignale
aus Block 2 der Reihe nach zum Ausgangssignal SS lenkt.
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Das
Ausgangssignal SS ist das Ergebnis einer
zyklischen Umschaltung eines Sekundärsignals in Richtung eines
anderen Sekundärsignals
in einer vordefinierten dritten Frequenz F3,
d.h. durch Umschalten der Sekundärsignale
in die eine oder andere Richtung der Sekundärsignale. Jedes Umschalten wird
durch die ansteigende Flanke eines Umschaltsignals CC ausgelöst, das
hier ein Rechtecksignal mit der konstanten Frequenz F3 ist,
welche bedeutend kleiner als die Bezugsfrequenz F0 ist.
Dieses Umschaltsignal wird durch Division des Bezugssignals So gebildet.
Je nach dem, ob diese Umschaltung eines Sekundärsignals in Richtung seines
Nachfolgers oder seines Vorgängers
erfolgt, ist die für
das Ausgangssignal SS erhaltene Frequenz
entweder F1 oder F2.
Nach 2 erfolgt jedes Umschalten eines Sekundärsignals
in Richtung seines Nachfolgers in der Reihe, um ein Ausgangssignal
SS mit der ersten Frequenz F1 zu
bilden, die kleiner als F0 ist. Nach 3 wird
das Ausgangssignal SS durch zyklisches Umschalten
eines Sekundärsignals
in Richtung seines Vorgängers
in der Reihe zur Bildung eines Ausgangssignals mit der zweiten Frequenz
F2 gebildet, wobei F2 etwas
größer als
F0 ist.
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Insbesondere
ist der Nachfolger eines Sekundärsignals
das Sekundärsignal
mit der kleinsten Phasenverzögerung,
wobei der Nachfolger des letzten Sekundärsignals das erste Sekundärsignal
ist, so dass S3 der Nachfolger von S2 und S1 der Nachfolger von
S4 ist. Analog dazu ist der Vorgänger eines
Sekundärsignals
das Sekundärsignal
mit dem kleinsten Phasenvorlauf, wobei der Vorgänger des ersten Sekundärsignals
das letzte Sekundärsignal
ist, so dass S, der Vorgänger
von S2 und S4 der
Vorgänger
von S1 ist.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
besteht also die FSK-Modulation in der Steuerung der Umschaltreihenfolge
der Sekundärsignale
durch das Eingangssignal SE, damit die Umschaltung
zyklisch von einem Sekundärsignal
in Richtung seines Nachfolgers erfolgt, wenn das Eingangssignal
SE auf dem ersten Wert ist, und von einem
Sekundärsignal
in Richtung seines Vorgängers,
wenn das Eingangssignal SE auf dem zweiten
Spannungswert ist.
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Das
Umschaltsignal CC mit konstanter Frequenz F3 kann
vorteilhaft durch Division des Bezugssignals S0 durch
eine ganze Zahl p erhalten werden, was im Block 4 der 1 mit/p
schematisch dargestellt ist. Die Wahl des Wertes für p beeinflusst
den Unterschied zwischen den Frequenzen F1 und
F2, je höher
der Wert von p ist, umso geringer ist der Unterschied. Eine FSK-Modulation
mit zwei Frequenzen, die sehr nahe der Bezugsfrequenz F0 liegen,
erhält man
mit einem hohen p-Wert. Für
einen Modulator mit |F1 – F0|
= F2 – F0| = 5 kHz und mit einer Bezugsfrequenz F0 von 2 MHz muss das Umschalten n-Mal pro
5 kHz-Periode erfolgen. Bei n = 4 führt dies zu einer dritten Frequenz
F3 in Höhe
von 20 KHz, also ist p = 100.
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Wie
weiter oben ausgeführt
stellt der Wert der Ganzzahl n einen anderen Funktionsparameter dar,
wobei dieser Wert einen Einfluss auf die Qualität des Ausgangssignals SS hat: je höher n ist – d.h. je größer die
Anzahl der Sekundärsignale – um so
besser ist die Qualität
des Ausgangssignals SS. Simulationen und
Tests haben ergeben, dass zur Modulation eines Ausgangssignals,
dessen erste und zweite Frequenz 1,99 MHz bzw. 2,01 MHz betragen,
der Wert n = 4 ausreicht, um ein Ausgangssignal SS von zufrieden
stellender Qualität
zu erzeugen, was dem in den verschiedenen Figuren dargestellten
Ausgestaltungsbeispiel entspricht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann mit einem Mikrocontroller zur Anwendung gebracht werden, in
welchem ein Generator für
das Bezugssignal S0, eine Phasenverschiebungseinheit
zur Wandlung dieses Bezugssignals S0 in
n phasenverschobene Sekundärsignale
und eine Umschalteinheit zur Erzeugung des Ausgangssignals SS durch aufeinander folgendes Umschalten
von einem Sekundärsignal auf
ein anderes untergebracht sind. Es ist auch möglich, den FSK-Modulator auf
ein einziges Siliziumbauteil zu reduzieren, dessen Abmessungen viel
kleiner sind als diejenigen einer elektronischen Analogschaltung.
Die Implementierung in einem Mikrocontroller ermöglicht eine sehr einfachen Änderung
der Funktionsparameter, wie z.B. der Ganzzahlen n und p.
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In
einer Ausführungsvariante
enthält
das erfindungsgemäße Verfahren
eine Verarbeitung zur Demodulation eines FSK-Signals, mit der die
Herstellung eines auf nur einer einzigen Bezugsfrequenz basierenden
FSK-Modulators/Demodulators zu geringeren Kosten möglich ist.
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Diese
in 4 schematisch dargestellte Variante besteht in
der parallelen Zuführung
eines zu demodulierenden FSK-Signals in zwei Mischer MA, MB, die von zwei um 90 Grad phasenverschobene Sekundärsignalen
S1 bzw. S2 gesteuert
werden. Die zwei Mischer liefern jeweils zwei Mischsignale SA und SB, die dann
zur Bildung eines demodulierten Signals SD auf
eine logische Kippschaltung 9 geführt werden.
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Insbesondere
liefern die beiden Mischer MA und MB die Mischsignale SA bzw.
SB, deren Frequenz jeweils die Differenz
aus der Frequenz des Ausgangssignals SS und
der Bezugsfrequenz F0 ist. Die Signale SA und SB sind in 5 als
Diagramm des zeitlichen Verlaufs dargestellt. Wenn das Ausgangssignal
SS in der ersten Frequenz F1 ist,
dann ist das Signal SA in Bezug zu SB im Phasenvorlauf, und wenn das FSK-Signal
in der zweiten Frequenz F2 ist, dann ist
das Signal SA in Bezug auf SB phasenverzögert. Das
Einspeisen der beiden Mischsignale SA und
SB in die jeweiligen Eingänge einer
logischen Kippschaltung 9 ermöglicht den Abschluss der Demodulation des
Ausgangssignals in ein demoduliertes Signal SD.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann die Steuerung eines Echo-Modus vorteilhaft berücksichtigen,
um einen eventuellen FSK-Modulationsfehler aufzuspüren. Diesen
Echomodus erhält
man durch Demodulation eines Ausgangssignals SS,
um das demodulierte Signal SD zu analysieren,
indem bei Unterschieden zwischen dem Signal SE und
dem demodulierten Signal SD ein Fehler aufgedeckt
wird. Die Steuerung des Echomodus erfolgt durch parallele Einspeisung
des Ausgangssignals SS in die beiden Mischer
MA und MB, wie weiter
oben beschrieben. Vom Echomodus ist bekannt, dass das Aufdecken
eines Fehlers darin besteht, das demodulierte Signal SD mit
dem Eingangssignal SE zu vergleichen, um
bei Unterschieden zwischen den beiden Signalen das Vorhandensein
eines Fehlers abzuleiten, wobei dieser Vergleich in den Figuren
nicht dargestellt ist.
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In
dieser Variante läuft
das Ausgangssignal SS vorteilhaft vor der
Zuführung
zu den Mischern durch einen Bandpassfilter 8, um die Oberschwingungen
zu unterdrücken.
Andererseits werden die Mischsignale SA und
SB vor der Zuführung zur Kippschaltung 9 durch
einen Tiefpassfilter FA bzw. FB,
und einen Komparator CA bzw. CB wieder
in Form gebracht. Analog dazu wird das Ausgangssignal SS wieder
in Form gebracht, indem es nacheinander durch einen Tiefpassfilter 6 und
einen Verstärker 7 läuft. Wie
im Blockschaltbild der 4 zu sehen ist, ermöglicht ein
logisches „UND", dessen Eingang
mit dem Ausgang des Phasenverschiebers 2 und dessen Ausgang
mit dem Tiefpassfilter 6 verbunden ist, durch Steuerung
seines anderen Eingangs die Aktivierung oder Deaktivierung des FSK-Modulators.
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Wie
in 4 zu sehen ist, werden die beiden Mischer MA und MB durch zwei
um 90 Grad phasenverschobene Sekundärsignale gesteuert, die aus dem
Phasenverschiebungsblock 2 hervorgegangen sind. Dazu muss
der Phasenverschiebungsblock 2 zwei Signale erzeugen, deren
Phasen zueinander um 90 Grad verschoben sind. In dem in den Figuren dargestellten
Beispiel, bei dem der Phasenverschieber vier Sekundärsignale
erzeugt, handelt es sich dabei um das erste und das zweite Sekundärsignal
S1 und S2. Um sicher
zu stellen, dass es zwei Signale gibt, deren Phasen um 90 Grad zueinander
verschoben sind, ist vorteilhaft ein Wert n zu wählen, der ein Vielfaches von
vier ist, um einen unterschiedlichen Wert n zu erhalten.
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Die
Erfindung kann vorteilhaft zur Übertragung
von digitalen Daten über
Trägerströme in einem Kraftfahrzeug
eingesetzt werden. In dieser Anwendung werden die FSK-Signale über die
elektrischen Leiter des Fahrzeugs übertragen, wobei diese elektrischen
Leiter gleichzeitig zur Energieversorgung der elektrischen Organe
des Fahrzeugs verwendet werden, wodurch sich die Anzahl der notwendigen
Kabel in einem Elektrofahrzeug, entscheidend verringert und damit
seine Herstellungskosten gesenkt werden. Die Erfindung ist nicht
nur auf die Anwendung der Datenübertragung
durch Trägerströme beschränkt, sondern
sie kann auch in anderen Anwendungen zur Übertragung von digitalen Daten
durch FSK-Modulation eingesetzt werden.