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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Systeme und Verfahren
zur Übertragung
von Daten durch Schallwellen.
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Unter
einer "Schallwelle" wird im Rahmen der
vorliegenden Beschreibung eine elastische Welle, die entsprechend
ihrer Länge
einen hörbaren
oder unhörbaren
Ton erzeugt, oder in anderen Worten eine elastische Welle, deren
Länge in
der betrachteten Ausbreitungsumgebung einer Infraschall-, Schall-,
sogar Ultraschallfrequenz entspricht, verstanden.
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Systeme,
die Schallwellen für
die Übertragung
von Daten verwenden, sind bereits bekannt. Die Dokumente
US 4 242 745 und
US 6236889 beschreiben beispielsweise
ein Zeitmessstück,
das mit einem elektroakustischen Wandler versehen ist, um Daten
zu empfangen, die durch Modulation einer Schallträgerwelle übertragen
werden, die durch eine externe Sendevorrichtung erzeugt wird.
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Das
Dokument
US 4 320 387 beschreibt
eine tragbare Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Übertragung
von Daten durch Schallwellen. In diesem Dokument ist insbesondere
vorgeschlagen, Daten durch Ultraschall mittels eines elektroakustischen Wandlers
zu übertragen.
Es wird insbesondere vorgeschlagen, die Daten durch ein Verfahren
der Frequenzmodulation der Schallträgerwelle zu übertragen
(Verfahren, das unter der Bezeichnung "Frequency Shift Keying" oder FSK bekannt
ist).
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Die
Dokumente
US 5 719 825 und
US 5 848 027 beschreiben
beide ein System für
die Aufzeichnung und die Verarbeitung von persönlichen Daten eines Benutzers
(beispielsweise die körperliche
Aktivität
eines Athleten) mit insbesondere einem Datenverarbeitungsendgerät und einem
elektronischen Zeitmessstück,
die durch Schallwellen kommunizieren können. Insbesondere ist das
Zeitmessstück
mit einem elektroakustischen Wandler (einem piezoelektrischen Element)
versehen, um die persönlichen
Daten des Benutzers zum Datenverarbeitungsendgerät zu übertragen, wobei dieses letztere
selbst mit einem Mikrophon für
den Empfang von Schallwellen versehen ist, die vom Zeitmessstück erzeugt
werden.
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Das
Dokument
EP 1 075 098 im
Namen des vorliegenden Anmelders beschreibt seinerseits eine Umwandlungsschaltung
für ein
Schallsignal sowie ein Verfahren zur bidirektionalen Kommunikation durch
Schallwellen für
den Austausch von Daten zwischen zwei Zeitmessstücken oder zwischen einem Datenverarbeitungsendgerät und einem
Zeitmessstück.
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Schließlich beschreibt
das Dokument WO 2001/10064, auch im Namen des vorliegenden Anmelders,
ein System zur akustischen Kommunikation zwischen einer tragbaren
Einheit und einem Kommunikationsendgerät.
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In
den zwei letzten vorstehend erwähnten Dokumenten
ist insbesondere vorgeschlagen, eine existierende Audioanlage (Lautsprecher
und Sound-Karte) eines Datenverarbeitungsendgeräts zu verwenden, um die gewünschten
Daten zu einer tragbaren Einheit mittels Schallwellen zu übertragen.
Ein Vorteil dieser Lösung
liegt in der Tatsache, dass es keineswegs erforderlich ist, das
Informationsendgerät
mit irgendeiner Vorrichtung zu versehen, die nur für die Sende-
und/oder Empfangsoperationen der Daten zweckgebunden ist.
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Die
typische Lösung,
die bis jetzt in Erwägung
gezogen wurde, um Daten auf akustischem Weg zu übertragen, insbesondere vom
Datenverarbeitungsendgerät
zur tragbaren Einheit, besteht darin, eine Schallträgerwelle
mit einer bestimmten Frequenz zu erzeugen und diese Schallträgerwelle
in Abhängigkeit
von den zu übertragenden
Daten zu modulieren. Die Modulation der Schallträgerwelle in Abhängigkeit
von den Daten kann beispielsweise darin bestehen, die Schallträgerwelle
gemäß bekannten
Modulationsverfahren zu amplitudenmodulieren, frequenzmodulieren
oder phasenmodulieren.
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Dennoch
konnte festgestellt werden, dass die Lautsprecher, mit denen typischerweise
die Datenverarbeitungsendgeräte
des Handels ausgestattet sind, Vorrichtungen sind, die mit geringen
Kosten hergestellt werden und deren Eigenschaften hinsichtlich des
Frequenzgangs sehr unregelmäßig sind. Messungen,
die an einem Abtastwert von Lautsprechern durchgeführt werden,
die im Handel zur Verfügung
stehen, haben starke Variationen der Amplitude des Signals in Abhängigkeit
von der Frequenz (häufig jenseits
von ±10
dB) gezeigt. Die meisten Lautsprechersysteme, die gewöhnlich zum
Ausstatten von Personalcomputern vorgeschlagen werden, sind tatsächlich nicht
dazu vorgesehen, die Wiederherstellung von Tönen mit hoher Wiedergabetreue
zu ermöglichen,
und ihre Reaktionskurve ist folglich sehr uneben. Diese unebene
Reaktionskurve liegt im Wesentlichen an der Tatsache, dass die Schallimpedanz des
Gehäuses
schnell mit der Frequenz variiert und sehr ausgeprägte Extrema
bei den Eigenfrequenzen aufweist, deshalb die Spitzen und Täler in der
Reaktionskurve des Systems. Es konnte auch bemerkt werden, dass
dieses Problem der Amplitudenverzerrung sich verschlimmert, wenn
der Abstand zwischen dem Lautsprecher und der tragbaren Einheit
kurz ist.
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Ein
Nachteil, der mit der Verwendung von existierenden Lautsprechersystemen
verbunden ist, liegt folglich in der Tatsache, dass es nicht möglich ist,
eine hohe Wiedergabetreue der Übertragung
von Daten durch Schallwellen sicherzustellen, wobei die Frequenz
der Schallträgerwelle
eventuell mit einer Spitze oder einem Tal im Frequenzgang des verwendeten
Lautsprechers zusammenfallen kann, und zwar welches auch immer das
für die Übertragung der
Daten verwendete Modulationsverfahren ist.
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Eine
Lösung,
die es ermöglicht,
die Wiedergabetreue der Übertragung
eines derartigen Datenübertragungssystems
durch Schallwellen zu steigern, muss folglich gesucht werden. Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine derartige Lösung vorzuschlagen.
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Dazu
schlägt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Übertragung von Daten durch
Schallwellen zwischen einer Sendevorrichtung und einer Empfangsvorrichtung
vor, dessen Eigenschaften im Anspruch 1 angegeben sind.
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Die
vorliegende Erfindung hat auch als Gegenstand ein System zur Übertragung
von Daten durch Schallwellen durch die Ausführung dieses Übertragungsverfahrens,
dessen Eigenschaften in Anspruch 9 angegeben sind.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß der Erfindung
wird die Frequenz der Schallträgerwelle
folglich während
einer bestimmten Zeitperiode geändert,
um einen bestimmten Bereich von Frequenzen zu überstreichen, der im Durchlassband
liegt, das dem ersten und dem zweiten elektroakustischen Wandler
gemeinsam ist, die die Sendevorrichtung bzw. die Empfangsvorrichtung
ausstatten. So wird sichergestellt, dass die Frequenz der übertragenen
Schallträgerwelle
zu keiner Zeit mit einer Spitze oder einem Tal der Frequenzgangcharakteristik
des ersten oder des zweiten elektroakustischen Wandlers übereinstimmt.
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Die Übertragung
von Daten wird durch eine angemessene Modulation der Schallträgerwelle
(insbesondere eine Amplitudenmodulation) sichergestellt, an die
sich eine Frequenzmodulation der Schallträgerwelle anschließt, die
das wesentliche Ziel hat, das Frequenzspektrum des Sendens des Schallsignals
im Durchlassband der Sendevorrichtung und/oder Empfangsvorrichtung
zu erweitern. Durch solches Ändern
der Frequenz der Schallträgerwelle
wird sichergestellt, dass die Frequenz des gesandten Signals zu
keiner Zeit mit einer Spitze oder einem Tal im Frequenzgang des
verwendeten akustischen Systems übereinstimmt.
Ge mäß der Erfindung
wird folglich verstanden, dass zwei Modulationen der Schallträgerwelle überlagert
werden, eine zum Übertragen
der Daten und die andere im vorliegenden Fall eine Änderung
oder eine Frequenzmodulation der Schallträgerwelle, um eine ausreichende spektrale
Verschiedenheit der Schallträgerwelle
sicherzustellen.
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Gemäß der besonders
vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die eine besondere Wirksamkeit gezeigt
hat, wird die Frequenz der Schallträgerwelle, die vom akustischen
Wandler der Sendevorrichtung erzeugt wird, gemäß einem Frequenzmodulationsverfahren
mit einem oder mehreren Modulationssignalen verändert. Es konnte festgestellt
werden, dass die Verwendung dieser Lösung zu einer sehr hohen Wiedergabetreue
der Übertragung
der Daten geführt
hat.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des Systems zur Übertragung
von Daten ist es auch vorgesehen, die Schallträgerwelle in Form einer Folge
von Abtastwerten, die in einer Tabelle abgelegt sind, zu speichern.
Die Erzeugung der modulierten Schallträgerwelle wird in dieser Weise
insofern erheblich vereinfacht, als es genügt, die Tabelle abzufragen
und die Schallträgerwelle
auf der Basis der Folge von gespeicherten Abtastwerten zu erzeugen.
Folglich ist es nicht erforderlich, das Sendesystem mit zweckgebundenen
elektronischen Mitteln zu versehen. Es genügt tatsächlich, eine einfache Datenverarbeitungsanwendung
(oder "Plug-in") vorzusehen, um
die Erfindung an einem Datenverarbeitungsendgerät auszuführen.
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Es
ist im Allgemeinen zu verstehen, dass auf zwei Verfahren für die Erzeugung
der Schallträgerwelle
zurückgegriffen
werden kann: eine direkte Erzeugung, gemäß der die Schallträgerwelle
mit Hilfe einer mathematischen Funktion erzeugt wird, die bei der
Sendung der Daten implementiert wird, oder eine indirekte Erzeugung,
gemäß der eine
vordefinierte "Wellentabelle" aufgezeichnet wird
und einfach bei der Wiederherstellung der Schallträgerwelle
gelesen wird.
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Es
ist noch zu beachten, dass ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
in der Tatsache liegt, dass die Ausführung der Erfindung keine Modifikation
der Empfangseinheit erfordert, wobei diese in einer vollkommen analogen
Weise zu dem arbeitet, was vorher der Fall war. Die Ausführung der
Erfindung ist folglich besonders einfach und wenig kostspielig.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung zeigen sich deutlicher
bei der Lektüre
der folgenden ausführlichen
Beschreibung von verschie denen Ausführungsformen der Erfindung, die
nur als nicht begrenzendes Beispiel gegeben werden und durch die
beigefügten
Zeichnungen dargestellt sind, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Datenübertragungssystems durch Schallwellen
zwischen einem Datenverarbeitungsendgerät und einer tragbaren Einheit
wie einer Uhr ist;
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2 ein
Zeitdiagramm einer Schallträgerwelle,
die gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung erzeugt wird, ist, wo die Frequenz der Schallträgerwelle
im Wesentlichen linear in einem bestimmten Frequenzbereich geändert wird;
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3 ein
Zeitdiagramm einer Schallträgerwelle
ist, die gemäß einer
weiteren Ausführungsform der
Erfindung erzeugt wird, wo die Frequenz der Schallträgerwelle
gemäß einem
Frequenzmodulationsverfahren mit zwei Modulationssignalen geändert wird;
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4 eine
schematische Darstellung des resultierenden Frequenzspektrums der
kontinuierliche Emission der Schallträgerwelle gemäß der Ausführungsform
von 3 ist;
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5 eine
schematische Darstellung der Übertragung
einer bestimmten Folge von Bits durch Amplitudenmodulation der frequenzmodulierten Schallträgerwelle
gemäß der Ausführungsform
von 3 ist; und
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6 eine
schematische Darstellung einer Folge von Abtastwerten, die die Schallträgerwelle von 3 definieren,
während
der Dauer des Sendens eines Bits ist.
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1 stellt
in schematischer Form ein Datenübertragungssystem
durch Schallwellen zwischen einem Datenverarbeitungsendgerät und einer
tragbaren Einheit dar, die global mit den Bezugsziffern 2 bzw. 1 bezeichnet
sind. Die tragbare Einheit 1 kann beispielsweise und vorteilhafterweise
in Form einer Armbanduhr vorliegen, die am Handgelenk eines Benutzers
getragen werden kann.
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Das
Datenverarbeitungsendgerät 2 kann
ein Personalcomputer oder PC des Handels mit Mitteln zum Senden
von Schallsignalen, die Informationen tragen, sein. In dem in 1 schematisch
dargestellten Beispiel liegen diese Mittel typischerweise in Form
einer Sound-Karte 24, die im Inneren des Personalcomputers
angeordnet ist, einer oder mehrerer Lautsprecher 26 und
eines Mikrophons 28 vor.
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Es
wird daran erinnert, dass ein Vorteil des in 1 dargestellten
Systems in der Tatsache liegt, dass es nicht erforderlich ist, die
Struktur des Datenverarbeitungsendgeräts zu modifizieren oder ihm Sendeelemente
beizufügen,
die für
die Art der verwendeten drahtlosen Verbindung geeignet sind. Es genügt, um die
Erfindung ausführen
zu können,
in den Computer ein Programm einzuführen, das ihm ermöglicht,
das Schallsignal zu modulieren, so dass dieses Signal anschließend durch
die tragbare Einheit 1 zweckmäßig decodiert werden kann.
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Wenn
das Datenverarbeitungsendgerät 2 ein Schallsignal,
das eine Information trägt,
mittels seines oder seiner Lautsprecher(s) 26 aussendet,
wird dieses Signal sofort von den Empfangsmitteln der tragbaren
Einheit 1 erfasst. Diese Empfangsmittel sind aus einem
reversiblen elektroakustischen Wandler 18, der die Rolle
sowohl eines Mikrophons (oder Schallempfängers) als auch Lautsprechers (oder
Schallsenders) spielt, gebildet. Im Empfangsmodus transformiert
dieser elektroakustische Wandler 18 das einfallende Schallsignal
in ein elektrisches Signal, das anschließend durch Umwandlungsmittel der
tragbaren Einheit 1 in Daten umgewandelt wird, die durch
Verarbeitungsmittel dieser Einheit verarbeitet werden sollen, um
daraus eine nützliche
Information zu extrahieren, die vom Schallsignal übertragen wird.
In dem in 1 dargestellten Beispiel umfassen
die Umwandlungsmittel der tragbaren Einheit 1 einen Verstärker 10 des
elektrischen Signals, das vom elektroakustischen Wandler 18 erzeugt
wird, und eine Demodulationsschaltung (oder Demodulator) 12,
die mit dem Signalverstärker
verbunden ist und das empfangene Signal demodulieren und das so
demodulierte Signal zu einem Eingang eines Mikrocontrollers 14 übertragen
soll, der die Verarbeitungsmittel der tragbaren Einheit bildet.
Die Information, die vom Schallsignal übertragen wird, das vom Datenverarbeitungsendgerät 2 ausgesandt
wird, vom Demodulator 12 demoduliert wird und vom Mikrocontroller 14 verarbeitet
wird, kann in einem Speicher 16 der tragbaren Einheit 1 gespeichert
und/oder auf einer Anzeigevorrichtung 15, beispielsweise
einer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung,
angezeigt werden. Eine Batterie 11, die eventuell wiederaufladbar ist,
versorgt die tragbare Einheit 1 mit elektrischer Energie.
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Im
Hinblick auf das Senden von Daten auf akustischem Weg mittels der
tragbaren Einheit ist diese letztere außerdem mit Mitteln zur Umwandlung und
zum Senden ausgestattet, um von den Verarbeitungsmitteln der tragbaren
Einheit gelieferte Daten in ein moduliertes Schallsignal umzuwandeln
und dieses Signal auszusenden. Wie in 1 dargestellt, umfassen
diese Umwandlungsmittel eine Modulationsschaltung (oder Modulator) 13,
die über
eine Ansteuerschaltung 17 die Sendemittel, nämlich den elektroakustischen
Wandler 18, ansteuert. Die Verarbeitungsmittel der tragbaren
Einheit 1, d. h. der Mikrocontroller 14, bewirken
die Steuerung der Modulationsschaltung 13 in Abhängigkeit
von den zu übertragenden
Daten, die typischerweise im Speicher 16 der tragbaren
Einheit 1 gespeichert werden.
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Es
ist noch zu beachten, dass der Mikrocontroller 14 von 1 typischerweise
Mittel zum Codieren und Decodieren (vor bzw. nach dem Modulator 13 und
Demodulator 12) umfasst. Außerdem können der Modulator 13 und/oder
der Demodulator 12 in der Praxis ein integraler Teil der
Funktionen des Mikrocontrollers 14 sein.
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Hier
wird nicht die detaillierte Struktur des elektroakustischen Wandlers
und der zugehörigen Verarbeitungs-
und Umwandlungsmittel beschrieben. Es kann beispielsweise auf die
Dokumente
EP 1 075 098 und
WO 2001/10064, die in der Einleitung angeführt sind, Bezug genommen werden.
In diesen Dokumenten ist insbesondere vorgeschlagen, eine Tongeneratorschaltung,
die klassisch zum Erzeugen von Alarmen verwendet wird, in eine reversible
Umwandlungsschaltung zu modifizieren, die ein moduliertes Schallsignal
in ein elektrisches Signal umwandeln kann und umgekehrt.
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Es
ist zweckmäßig zu beachten,
dass das in 1 dargestellte Kommunikationssystem
beschaffen ist, um eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem
Datenverarbeitungsendgerät
und der tragbaren Einheit sicherzustellen, wobei der oder die Lautsprecher 26 verwendet
werden, um Daten vom Personalcomputer 2 zur tragbaren Einheit 1 zu übertragen,
wobei das Mikrophon 28 seinerseits verwendet wird, um von
der tragbaren Einheit 1 übertragene Daten zu empfangen.
In der Folge der Beschreibung wird spezielleres Interesse für die Übertragung
von Daten vom Datenverarbeitungsendgerät 2 zur tragbaren
Einheit 1 gezeigt.
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Wie
in der Einleitung erwähnt,
besteht ein Nachteil der früheren
Lösungen
in der Tatsache, dass die Frequenz der Schallträgerwelle, die zum Übertragen
der Daten verwendet wird, mit einem Tal oder einer Spitze des Frequenzgangs
des verwendeten Lautsprechers übereinstimmen
kann. Dieses Problem stellt sich, welches auch immer die Art von
verwendeter Modulation zum Codieren der Information ist. Im Fall
einer Amplitudenmodulation wird die Information mittels einer Amplitudenänderung
der Schallträgerwelle
codiert, wobei diese letztere mit einer bestimmten Frequenz übertragen
wird, die folglich mit einer Unregelmäßigkeit im Frequenzgang des
Lautsprechers übereinstimmen
kann. Dasselbe gilt bei der Phasenmodulation, bei der die Information
durch eine Änderung
der Phase des Signals codiert wird. Im Fall einer Frequenzmodulation,
bei der die Information durch eine Änderung der Frequenz der Schallträgerwelle
codiert wird, kann die Frequenz der modulierten Schallträgerwelle
zumindest teilweise mit einer Unregelmäßigkeit im Frequenzgang des Lautsprechers übereinstimmen,
und ein Teil der Daten geht folglich verloren.
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Gemäß der Erfindung
wird jedoch gewählt, eine
starke spektrale Verschiedenheit in die Schallträgerwelle einzuführen, indem
die Frequenz dieser Trägerwelle
in einem Bereich bestimmter Frequenzen im Durchlassband variieren
lassen wird, das dem elektroakustischen Wandler des Lautsprechers
und dem elektroakustischen Wandler der tragbaren Einheit gemeinsam
ist. Die zu übertragenden
Daten werden durch eine geeignete Modulation der Schallträgerwelle,
die selbst frequenzmoduliert wird, übertragen. Die Wahl der zum Übertragen
der Daten verwendeten Modulation wird durch die Bedingung vorgegeben,
gemäß der die
zwei Modulationen (die zum Übertragen
der Daten verwendete Modulation und die übernommene Frequenzmodulation
zum Sicherstellen einer ausreichenden spektralen Verschiedenheit
der Schallträgerwelle)
sich nicht oder wenig stören
dürfen.
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Die
einfachste Lösung
besteht darin, sich an ein Verfahren der Amplitudenmodulation der
Schallträgerwelle
zu wenden, um die Daten zu übertragen, zusätzlich zur
Frequenzmodulation dieser Schallträgerwelle. In diesem Fall ist
zu beachten, dass es jedoch zweckmäßig ist, Frequenzmodulationsparameter
zu wählen,
die einerseits, wie bereits erwähnt, eine
ausreichende spektrale Verschiedenheit der Schallträgerwelle
sicherstellen, und andererseits sicherstellen, dass die Einhüllende des
Schallsignals minimal beeinflusst wird.
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Eine
Alternative zur Amplitudenmodulation könnte eine Frequenzmodulation
sein. In diesem Fall ist zu beachten, dass die Decodierung der Information
komplexer wird, da die zum Übertragen
der Daten verwendete Frequenzmodulation auf die Frequenzmodulation überlagert
wird, die verwendet wird, um das Frequenzspektrum im nützlichen
Durchlassband zu erweitern. In diesem Fall würde es ein Demodulator des
I/Q-Typs (mit Phasenquadratursignalen) ermöglichen, die Phase oder die
Frequenz der Trägerwelle
zu unterscheiden.
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In
der Folge der Beschreibung wird zur Vereinfachung angenommen, dass
die Daten durch Amplitudenmodulation der Schallträgerwelle übertragen werden.
Genauer wird von dem Prinzip ausgegangen, dass die Schallträgerwelle
ein von Null verschiedenes bestimmtes Amplitudenniveau während der Sendedauer
eines Bits besitzt, wenn der Wert dieses Bits gleich einem ersten
logischen Pegel (beispielsweise "1") ist, und ein Amplitudenniveau
von Null während
der Sendedauer eines Bits besitzt, wenn der Wert dieses Bits gleich
dem zweiten logischen Pegel (beispielsweise "0")
ist. Es kann beispielsweise auf 5 Bezug
genommen werden, die ein Sendediagramm einer Folge von Bits zeigt,
das das vorstehend erwähnte
Verfahren übernimmt.
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Es
ist zu beachten, dass es sich hier um eine spezielle Amplitudenmodulationsart
handelt und dass andere Amplitudenmodulationsarten ohne weiteres
in Erwägung
gezogen werden können,
beispielsweise eine Modulationsart, bei der ein "1"-Bit
in Form einer Folge von zwei Halbperioden übertragen wird, wobei die Amplitude
der Schallträgerwelle
zuallererst von Null verschieden ist, dann Null ist, und bei der
ein "0"-Bit in Form einer
Folge von zwei Halbperioden übertragen
wird, wobei die Amplitude der Schallträgerwelle im Gegenteil Null,
dann von Null verschieden ist (es wird in diesem Fall im Allgemeinen
von einer Manchester-Modulation oder -Codierung gesprochen).
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Die
Lösung
zum Sicherstellen einer großen spektralen
Verschiedenheit des Schallsignals in einem bestimmten Frequenzbereich
besteht darin, die Frequenz der Schallträgerwelle im nützlichen
Durchlassband, d. h. im Durchlassband, das dem elektroakustischen
Wandler, der den Lautsprecher ausstattet, und dem elektroakustischen
Wandler, der die tragbare Einheit ausstattet, gemeinsam ist, zu ändern. Als rein
erläuterndes
und nicht begrenzendes Beispiel konnte definiert werden, dass das
nützliche
Durchlassband des Systems einem Frequenzbereich entspricht, der
ungefähr
von 2700 Hz bis 4000–4500
Hz geht (d. h. ein Durchlassband in der Größenordnung von 1,5 kHz), wobei
dieses Durchlassband im Wesentlichen durch die Eigenschaften des
elektroakustischen Wandlers, der in der tragbaren Einheit verwendet
wird, und durch die Konstruktion dieser tragbaren Einheit bestimmt
ist.
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Eine
erste Lösung,
die in Erwägung
gezogen werden kann, besteht darin, die Frequenz in im Wesentlichen
linearer Weise im nützlichen
Band zu verändern.
In diesem Fall kann die Schallträgerwelle
in der folgenden analytischen Form ausgedrückt werden: CARRIER(t) = sin(2π·(f0 + Δf·(t/Tbit))·t + alpha) (1) wobei f0
die Frequenz ist, bei der das Frequenzüberstreichen beginnen muss, Δf der Hälfte des
Frequenzbandes entspricht, auf dem das Überstreichen durchgeführt werden
muss, Tbit die Sendedauer eines Bits ist, und alpha eine angemessene
Phasenverschiebung ist, die es ermöglicht, die Kontinuität der Schallträgerwelle
von einem Bit zum anderen sicherzustellen (diese Phasenverschiebung
kann gegebenenfalls vernachlässigt
werden). Diese Phasenverschiebung alpha kann in der folgenden Weise ausgedrückt werden: alpha = (2π·(f0 + Δf)·Tbit)·(N – 1) (2)wobei N dem
N-ten betrachteten Bit entspricht.
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Eine
Darstellung der Schallträgerwelle
gemäß dem obigen
Ausdruck (1) ist in 1 dargestellt. In dieser Fig.
wurden willkürlich
eine Bitsendeperiode äquivalent
zu ungefähr
7,8 ms (exakt 7,8125 ms = 1/128) und Parameter f0 und Δf, die einen
Wert von 3000 bzw. 1000 Hz besitzen, gewählt. In dieser Darstellung
ist zu beachten, dass die Phase alpha des Signals auch um ein nächstes Bit
eingestellt ist.
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Eine
Spektralanalyse der Schallträgerwelle, die
gemäß dem obigen
Prinzip erzeugt wird, zeigt, dass sich der Frequenzbereich, in dem
die Schallträgerwelle
erzeugt wird, im Wesentlichen von der ausgewählten Frequenz f0 auf einer
Bandbreite äquivalent
zu 2·Δf erstreckt.
In dem vorstehend erwähnten Zahlenbeispiel,
in dem f0 und Δf
3000 bzw. 1000 Hz betragen, erstreckt sich das Spektrum der erzeugten Schallträgerwelle
folglich im Wesentlichen in einem Frequenzband zwischen 3000 und
5000 Hz.
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Eine
alternative Lösung
zur Lösung,
die aus dem linearen Ändern
der Frequenz der Schallträgerwelle
in einem bestimmten Frequenzbereich besteht, besteht darin, die
Frequenz der Schallträgerwelle
gemäß einem
Frequenzmodulationsverfahren mit einem oder mehreren Modulationssignalen
zu ändern. In
diesem Fall einer Frequenzmodulation mit zwei Modulationssignalen
kann die Schallträgerwelle
in der folgenden analytischen Form ausgedrückt werden: CARRIER(t) = sin(2π·f0·t + Δ1/f1 sin(2π·f1·t) + Δ2/f2 sin(2π·f2·t)) (3)wobei f0
die Mittenfrequenz der Schallträgerwelle
ist, f1 und Δ1
die Frequenz bzw. die maximale Abweichung des ersten Modulationssignals
sind und f2 und Δ2
die Frequenz bzw. die maximale Abweichung des zweiten Modulationssignals
sind. Wie vorher ist mit Bezug auf den Ausdruck (1) in Erwägung zu
ziehen, außerdem
in die Definition der vorstehend erwähnten Schallträgerwelle
einen eingestellten Phasenverschiebungswert zum Sicherstellen der
Kontinuität
der Schallträgerwelle
von einem Bit zum anderen aufzunehmen, wobei dieser Parameter jedoch
nicht erforderlich ist.
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Eine
Darstellung der Schallträgerwelle
gemäß dem obigen
Ausdruck (3) ist in 3 dargestellt. In dieser Fig.
wurde erneut eine Bitsendeperiode Tbit äquivalent zu ungefähr 7,8 ms
gewählt.
Die Parameter f0, f1, Δ1,
f2 und Δ2
betragen in diesem Beispiel 3331, 1000, 200, 600 bzw. 120 Hz. Es
ist zu beachten, dass die Wahl der Parameter f0, f1, Δ1, f2 und Δ2 durch bestimmte
Zwänge
vorgegeben ist. Die Mittenfrequenz f0 ist folglich in Abhängigkeit
vom nützlichen
Durchlassband des Systems definiert und liegt im Wesentlichen in
der Mitte dieses nützlichen Durchlassbandes.
Die Modulationsparameter f1, Δ1, f2
und Δ2 werden
ihrerseits in Abhängigkeit
von der Sendedauer eines Bits Tbit und von der Breite des nützlichen
Durchlassbandes des Systems gewählt, wobei
der wesentliche Zwang darin besteht, eine ausreichende spektrale
Verschiedenheit der Schallträgerwelle
im nützlichen
Durchlassband sicherzustellen.
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Die
Wahl der Parameter f0, f1, f2, Δ1
und Δ2 ermöglicht es,
auf die Breite des Bandes des Frequenzspektrums der Schallträgerwelle
sowie auf die Anzahl und die Position der Frequenzspitzen der Schallträgerwelle
einzuwirken. Als erläuterndes
Beispiel zeigt 4 das resultierende Spektrum
einer kontinuierlichen Wiederholung der Schallträgerwelle von 3,
wobei die Wiederholungsperiode 7,8 ms ist. Insbesondere ist eine
Frequenzspitze bei der Mittenfrequenz von 3331 Hz und zusätzliche
Spitzen bei 2331 Hz, 2731 Hz, 3931 Hz und 4331 Hz sowie andere Frequenzspitzen
mit geringerer Intensität
zu bemerken.
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Von
einem qualitativen Gesichtspunkt konnte festgestellt werden, dass
die vorstehend erwähnte zweite
Lösung,
bei der die Schallträgerwelle
durch ein oder mehrere Modulationssignale moduliert wird, bessere
Ergebnisse ergibt. Insoweit als die Daten durch Amplitudenmodulation
der Schallträgerwelle übertragen
werden, ist zu bemerken, dass die Modulation der Frequenz der Schallträgerwelle,
die übernommen
wird, derart sein muss, dass die Einhüllende dieser Schallträgerwelle
für ein
gegebenes Modulationsamplitudenniveau im Wesentlichen konstant bleibt
(d. h. im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt), und zwar um die Übertragung
der Daten nicht zu stören
oder minimal zu stören.
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Im
Hinblick auf eine Implementierung der Erfindung an einem Datenverarbeitungsendgerät, das mit
einem oder mehreren Lautsprechern ausgestattet ist, ist es vorteilhaft
(insbesondere im Hinblick auf die Begrenzung der Rechenlast für das Datenverarbeitungsendgerät), die
Schallträgerwelle
in Form einer Folge von vorbestimmten Abtastwerten zu speichern. Insbesondere
ist es zweckmäßig, eine
Folge von Abtastwerten zu speichern, die die Schallträgerwelle während der
Dauer eines Bits repräsentieren,
beispielsweise in Form einer im Speicher des Datenverarbeitungsendgeräts gespeicherten
Tabelle. Um die Schallwelle zu erzeugen, genügt es dann, diese gespeicherte
Tabelle abzufragen, um den Abschnitt der Schallträgerwelle
zu erzeugen, der der Sendedauer eines Bits entspricht, und diese
Operation für
jedes zu übertragende
Bit zu wiederholen. Diese Schallträgerwelle wird anschließend in
Abhängigkeit
von den zu übertragenden
Daten moduliert. Im speziellen Fall, in dem die Daten durch Amplitudenmodulation gemäß dem weiter
oben mit Bezug auf 5 erwähnten Prinzip übertragen
werden, ist zu verstehen, dass die Schallträgerwelle genau genommen nur
erzeugt wird, wenn es erforderlich ist, ein "1"-Bit
zu übertragen,
wobei die Amplitude der Schallträgerwelle
bei der Übertragung
eines "0"-Bits null ist.
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Es
ist zu beachten, dass eine Abtastfrequenz, die typischerweise für die Abtastung
von Audiosignalen an Personalcomputern übernommen wird, 44100 Hz beträgt. Für eine Bitsendedauer
Tbit von ungefähr
7,8 ms, die hier als Beispiel genommen wird, kann die Schallträgerwelle
somit durch eine Gesamtheit von 344 aufeinander folgenden Abtastwerten
dargestellt werden. 6 ist eine Darstellung der Schallträgerwelle
von 3 während
einer Sendedauer eines Bits, die mit 44100 Hz abgetastet wird.
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Es
ist im Allgemeinen zu verstehen, dass verschiedene Modifikationen
und/oder Verbesserungen, die für
den Fachmann ersichtlich sind, an den in der vorliegenden Beschreibung
beschriebenen Ausführungsformen
vorgenommen werden können, ohne
vom Rahmen der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.
Insbesondere ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen
begrenzt, bei denen die Frequenz der Schallträgerwelle in einer im Wesentlichen
linearen Weise oder gemäß einem
Frequenzmodulationsverfahren mit mehreren Modulationssignalen geändert wird.
Jegliche andere geeignete Modulation, die es ermöglicht, die Frequenz der Schallträgerwelle
zu verändern,
könnte übernommen
werden, vorausgesetzt, dass diese Modulation es ermöglicht,
eine ausreichende spektrale Ver schiedenheit der Schallträgerwelle
im gewünschten
Durchlassband sicherzustellen.
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Schließlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführung des Verfahrens begrenzt, das
in einem System mit mindestens einem Datenverarbeitungsendgerät und einer
tragbaren Einheit vorgeschlagen wurde. Das vorgeschlagene Übertragungsverfahren
gilt in jeglichem anderen System zur Übertragung von Daten durch
Schallwellen, in dem der elektroakustische Wandler, der die Sendevorrichtung
ausstattet, einen unebenen Frequenzgang aufweist. Ebenso kann dasselbe
Prinzip übernommen werden,
um zu vermeiden, dass die Frequenz der Schallträgerwelle mit einer Unregelmäßigkeit
des Frequenzgangs des elektroakustischen Wandlers, der im Empfänger verwendet
wird (beispielsweise dem Mikrophon des Datenverarbeitungsendgeräts) übereinstimmt.
Das vorgeschlagene Übertragungsverfahren
könnte
folglich in der tragbaren Einheit eingesetzt werden, um die Wiedergabetreue
der Übertragung
der Daten von der tragbaren Einheit zum Datenverarbeitungsendgerät zu verbessern.
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Andererseits
wendet sich die Konfiguration der tragbaren Einheit, die in 1 dargestellt
ist, an einen reversiblen elektroakustischen Wandler. Es ist leicht
zu verstehen, dass zwei elektroakustische Wandler, die für das Senden
bzw. den Empfang von Daten zweckgebunden sind, verwendet werden könnten. Schließlich gilt
die vorliegende Erfindung auch im Fall eines Systems zur unidirektionalen Übertragung
von Daten.