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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein digitales Signalmodulations-
und Demodulationsverfahren zur Übertragung
von digitalen Signalen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Für den Fall
der Übertragung
eines digitalen Signals, welches mittels zweier Werte 0 und 1 (oder L
und H) ausgedrückt
wird, ist ein Verfahren zum Übertragen
eines solchen digitalen Signals als Impulssignal bekannt. In diesem
Fall ist eine geeignete Datenübertragung
nicht möglich,
solange die Übertragung
nicht zwischen der Sendeseite und der Empfangsseite synchronisiert
ist.
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Deshalb
wird bei einer Signalübertragung
mit geringer Geschwindigkeit ein Impulssignal übertragen, das mit einem Takt
einer Rate moduliert wird, die das Zehn- bis Hundertfache der Signalübertragungsrate
beträgt,
und eine Demodulation wird ausgeführt, um das ursprüngliche
digitale Signal auf asynchronem Wege zu extrahieren. Bei der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung
hingegen wird die Modulation als Kombination eines Taktsignals und
der Daten ausgeführt.
In diesem Fall wird das ursprüngliche
Signal mit einem Taktsignal in ein pulsähnliches, moduliertes Signal
auf der Sendeseite moduliert, und dieses modulierte Signal wird,
wenn es übertragen
ist, auf der Empfangsseite in einem sogenannten Selbstsynchronisierungsverfahren
empfangen. Gemäß diesem
Verfahren berechnet die Empfangsseite die ursprüngliche Taktinformation aus
dem modulierten Signal und erzeugt ein Taktsignal, das mit dem ursprünglichen
Takt synchron zur Demodulation des modulierten Signals ist, um das
ursprüngliche
digitale Signal zu extrahieren. Derartige Modulationsverfahren,
die als Kombination eines Taktsignals und der Daten ausgeführt werden,
wie z.B. die Frequenzmodulation und die Phasenmodulation sind bekannt (vgl.
z.B. die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2001-168723).
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Wenngleich
im oben genannten Fall der Modulation, die als Kombination eines
Taktsignals und der Daten ausgeführt
wird, die auf der Sendeseite ausgeführte Modulation verhältnismäßig einfach
ist, ist die auf der Empfangsseite ausgeführte Demodulation kompliziert,
weil sie ein Filter oder eine PLL-Schaltung zur Demodulation erfordert,
um die Taktinformation aus dem empfangenen, modulierten Signal zu
entschlüsseln.
Diese Schwierigkeit wirft die Probleme einer verzögerten Reaktion
und einer komplizierten Schaltungsanordnung auf, welche die Anwendung
auf ein bestimmtes Gebiet einzuschränken vermag.
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In
einem Fall, in dem Signale bei einer hohen Geschwindigkeit gesendet
werden müssen,
wie z.B. bei einer Langstreckensignalübertragung oder einer isolierten
Datenübertragung,
oder bei einer Datenübertragung über eine
optische Faser, müssen
die Signale verstärkt
werden, um die Dämpfung
zu kompensieren, und um die Amplitude der Signale einzustellen.
Wenn die Signale als Pulse übertragen
werden, enthalten diese Gleichstromanteile (DC), ein Umstand, der
es erschwert, Signaländerungen
in hohem Maße
zu verstärken.
Deshalb ist es in diesem Fall notwendig, eine Empfangsschaltung
mit einem Empfänger
mit großer
Verstärkung
auszustatten, welcher an einen Wechselstrom (AC) angeschlossen ist.
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Die
US-A-4 423 506 offenbart ein digitales Signalmodulations- und Demodulationsverfahren zum Übertragen
eines digitalen Signals, dessen Datenlogik mittels eines H-Pegels
und eines L-Pegels ausgedrückt
wird, wobei das Digitalsignal in ein moduliertes Signal zur Übertragung
umgewandelt wird und beim Empfang demoduliert wird, wobei das modulierte
Signal Pulse umfasst, welche Einschaltverhältnisse von H : L = N : 1 und
1 : N oder H : L = 1 : N und N : 1 (mit N > 1) in Übereinstimmung mit dem H-Pegel
und dem L-Pegel des digitalen Signals aufweisen.
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Dieses
Dokument betrifft die Konfiguration des Signals und der Schnittstelle
zwischen dem Übertragungsnetzwerk
und den Modulatoren und Demodulatoren, es offenbart jedoch nicht,
wie der Demodulationsvorgang ausgeführt wird.
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Deshalb
besteht nach wie vor ein Bedarf an einem Demodulationsverfahren,
welches mit einfachen Mitteln ausgeführt werden kann.
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Dieses
Ziel wird durch ein Verfahren erreicht, bei dem das modulierte Signal
mit Hilfe eines D-Flip-Flops demoduliert wird, um das digitale Signal zu
extrahieren, wobei das modulierte Signal in einen D-Eingang des
D-Flip-Flops eingespeist wird, während
das um eine vorgegebene Verzögerungszeit
Ty verzögerte
modulierte Signal in einen Takteingang desselben eingespeist wird,
um ein demoduliertes Datensignal an einem Q-Ausgang desselben zu
erzeugen.
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Gemäß dieser
Anordnung kann die Modulation auf der Sendeseite mittels einer Schaltung,
die mit einem Taktelement ausgestattet ist, ausgeführt werden.
Zudem kann die Demodulation auf der Empfangsseite mittels einer
einfachen Schaltung ausgeführt
werden, welche das modulierte Signal empfängt, dieses um eine vorgegebene
Verzögerungszeit
verzögert
und dieses verzögerte
Signal als Taktsignal zur Demodulation verwendet. Dadurch können Sende-Empfangs-Vorrichtungen, die
das digitale Signalmodulations- und Demodulationsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung verwenden, kostengünstig
und in miniaturisierter Form hergestellt werden.
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Es
ist anzumerken, dass in der US-A-3 902 129 eine Demodulationsschaltung
offenbart ist, die von einem Flip-Flop Gebrauch macht. Die Übertragungssignale,
die in der Demodulationsschaltung demoduliert werden müssen, sind
jedoch von einem PRM (Pulsefrequenz-Modulations)-Typ, einem anderen
Modulationstyp, bei dem anstelle des Einschaltverhältnisses,
wie bei der vorliegenden Erfindung, die Frequenz der Pulse zur Modulation
variiert wird.
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Ein ähnliches
Argument trifft für
die US-A-4 502 472 zu. Der Informationsgehalt der Art von Modulation,
wie sie in diesem Dokument beschrieben ist, betrifft ebenfalls die
Frequenz.
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Vorzugsweise
umfassen die modulierten Signale Impulssignale mit einem Einschaltverhältnis (H :
L) von 1 : 3 und 3 : 1 oder 3 : 1 und 1 : 3 in Übereinstimmung mit dem H-Pegel
und dem L-Pegel des digitalen Signals. Mit anderen Worten werden
digitale Signale mit einem H-Pegel vorzugsweise zu wiederholten
Impulssignalen mit einem Einschaltverhältnis von H : L = 1 : 3 moduliert,
während
digitale Signale mit einem L-Pegel zu wiederholten Impulssignalen mit
einem Einschaltverhältnis
von H : L = 3 : 1 moduliert werden. Oder digitale Signale mit einem
H-Pegel werden zu wiederholten Pulssignalen mit einem Einschaltverhältnis von
H : L = 3 : 1 moduliert, während solche
mit einem L-Pegel zu wiederholten Pulssignalen mit einem Einschaltverhältnis von
H : L = 1 : 3 moduliert werden.
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Gemäß dieser
Anordnung kann der Aufbau von Schaltungen für die Modulation und Demodulation
noch weiter vereinfacht werden.
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Weitere
Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden anhand der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung offenkundig. Die detaillierte
Beschreibung und die spezifischen Beispiele zeigen zwar bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung, sie sollen jedoch lediglich als Illustration dienen,
da zahlreiche Änderungen
und Modifikationen im Rahmen des Geistes und des Bereichs der vorliegenden
Erfindung für
den Fachmann aus der detaillierten Beschreibung offenkundig werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Die
vorliegende Erfindung ist aus der hiernach angegebenen detaillierten
Beschreibung und den beigefügten
Figuren umfassender zu verstehen, welche lediglich im Wege der Illustration
angegeben werden und daher für
die vorliegende Erfindung nicht beschränkend sind.
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1 beschreibt
das Verhältnis
zwischen einem Taktsignal und einem modulierten Signal, wenn ein
Datensignal auf einem H-Pegel ist.
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2 beschreibt
das Verhältnis
zwischen dem Taktsignal und dem modulierten Signal, wenn das Datensignal
auf einem L-Pegel ist.
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3 zeigt
den Gleichstrompegel des modulierten Signals, wenn der H-Pegel des Datensignals überwiegt.
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4 zeigt
den Gleichstrompegel des modulierten Signals, wenn der L-Pegel des Datensignals überwiegt.
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5 beschreibt
ein Verhältnis
zwischen dem modulierten Signal und einem demodulierten Signal,
wenn das Datensignal auf einem H-Pegel
ist.
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6 beschreibt
ein Verhältnis
zwischen dem modulierten Signal und dem demodulierten Signal, wenn
das Datensignal auf einem L-Pegel
ist.
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7 zeigt
einen Schaltplan einer Modulationsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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8 zeigt
einen Schaltplan einer Demodulationsschaltung als ein Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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9 zeigt
einen Modulationszeitablauf-Diagramm als ein Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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10 zeigt
einen Demodulationszeitablauf-Diagramm als ein Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Bei einem
digitalen Signalmodulations- und Demodulationsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung werden digitale Signale (hiernach als "Datensignale" bezeichnet) mit einem Taktsignale zu
modulierten Signalen moduliert, welche Impulssignale mit einem Einschaltverhältnis (H
: L) von 1 : N und N : 1 (mit N > 1)
sind. In diesem Fall wird N vorzugsweise minimiert, um die Effizienz
der Modulation und der Übertragung
des modulierten Signals zu verbessern. Es ist ebenfalls bevorzugt,
dass N eine ganze Zahl ist, weil modulierte Signale im Verhältnis zu
dem Taktsignal in einer Schaltungsanordnung erzeugt werden. Hierbei
werden, wenn N 2 ist, die Impulssignale mit Einschaltverhältnissen
(H : L) von 2 : 1 und 1 : 2 auf drei Arten ausgedrückt. Daher
muss die Modulation mittels Zuständen
ausgeführt
werden, die mit Hilfe von drei Taktperioden des Taktsignals, d.h.
sechs Zuständen
ausgedrückt
werden. Andererseits werden, wenn N = 3 ist, die Impulssignale mit
einem Einschaltverhältnis
(H : L) von 3 : 1 und 1 : 3 auf vier Arten ausgedrückt. In
diesem Fall kann die Modulation mit Zuständen durchgeführt werden,
die unter Verwendung von zwei Taktperioden des Taktsignals, d.h. vier
Zustände
ausgedrückt
werden, so dass das Taktsignal effizient für die Modulation eingesetzt
wird. Daher werden im Rahmen der folgenden Beschreibung die modulierten
Signale als Impulssignale mit Einschaltverhältnissen (H : L) von 3 : 1
und 1 : 3 ausgestaltet. Hierbei werden die modulierten Signale,
die einem logischen H- Pegel
des Datensignals entsprechen, als Impulssignale mit einem Einschaltverhältnis (H
: L) von 3 : 1 ausgedrückt,
während
diejenigen, die einem logischen L-Pegel der Datensignale entsprechen als
Impulssignale mit einem Einschaltverhältnis (H : L) von 1 : 3 ausgedrückt werden.
Diese modulierten Signale können
jedoch statt dessen als Pulssignale mit Einschaltverhältnissen
von jeweils 1 : 3 und 3 : 1 ausgedrückt werden, um denselben Effekt zu
erreichen.
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Unter
Bezugnahme auf 1 und 2 werden
die Verhältnisse
unter den Signalen, die bei dem digitalen Signalmodulations- und
Demodulationsvertahren gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, beschrieben. Im Allgemeinen führt eine
digitale Schaltung die Signalverarbeitung in Schritten aus, wobei
ein Taktsignal und die logischen Werte (0 und 1) des Datensignals
als H-Pegelsignale oder
L-Pegelsignale synchron zum Taktsignale repräsentiert werden. Wie in den 1 und 2 dargestellt,
ist die Frequenz des modulierenden Taktsignals ein geradzahliges
Vielfaches (zweifach oder mehr) des Datensignals. Mit diesem modulierenden Taktsignal
werden die Datensignale zu modulierten Signalen in Form von Impulssignalen
mit Einschaltverhältnissen
(H : L) von 3 : 1 und 1 : 3 moduliert. Wie zuvor erwähnt, werden
zwei Perioden des modulierenden Taktsignals verwendet, um eine Periode
der modulierten Signale zu erzeugen. Daher kann die Periode Tm des
modulierten Signals gemäß der folgenden
Gleichung (1) beschrieben werden. Tm = 2T (1)
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Zum
Beispiel wird ein Teil des Datensignals mit dem H-Pegel für die Zeitdauer
Td(H) mit dem modulierenden Taktsignal mit der Periode T moduliert und
als ein Vielfaches des modulierten Signals ausgegeben, von denen
jedes ein Einschaltverhältnis
(H : L) von 3 : 1 und eine Periode von Tm (= 2T), wie in 1 dargestellt,
aufweist. Auf dieselbe Weise wird ein Teil des Datensignals mit
dem L-Pegel für
die Zeitdauer Td(L) von dem modulierenden Taktsignal mit der Periode
T moduliert und als Vielfaches des modulierten Signals ausgegeben,
von denen jedes ein Einschaltverhältnis (H : L) von 1 : 3 und
einer Periode von Tm, wie in 2 dargestellt,
aufweist. Hierbei können
jedoch, wie bereits erwähnt,
die Einschaltverhältnisse
der modulierten Signale, die jeweils den H- und L-Pegeln des Datensignals
bei der Modulation entsprechen, genau entgegengesetzt zu den zuvor
beschriebenen sein.
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Zur
Verstärkung
dieser modulierten Signale, welche, wie oben beschrieben, Impulssignale
darstellen, verwendet das bevorzugte Ausführungsbeispiel einen Wechselstromverstärker, um
die Wechselstromkomponenten des modulierten Signals zu verstärken, wobei
die Wechselstromkomponenten diejenigen Komponenten sind, die sich
um die Gleichstromkomponenten (Gleichstrompegel), die im modulierten
Signal enthalten sind, verändern.
Die modulierten Signale umfassen Impulswellen, die um den Anteil
von 50% der Amplitude des modulierten Signals (dieser Teil wird
als der "ideale
Gleichstrompegel" bezeichnet)
herum auf und ab oszillieren. Wenn der H-Pegel des Datensignals überwiegt,
beträgt
der Gleichstromanteil (Gleichstrompegel) des modulierten Signals
75% der Amplitude, wie in 3 dargestellt.
Hingegen beträgt
der Gleichstromanteil (Gleichstrompegel), wenn der L-Pegel der Datensignale überwiegt,
25% der Amplitude, wie in 4 dargestellt.
Daraus ergibt sich, dass die Wechselstromanteile der modulierten
Signale, d.h. die Aufwärts und
Abwärtsamplitude
der Gleichstromanteile, die von dem Wechselstromverstärker verstärkt werden sollen,
50% oder die Hälfte
der Amplitude der modulierten Signale betragen, welche um den idealen Gleichstrompegel
herum oszillieren. Deshalb ist es notwendig, dass der Wechselstromverstärker das Doppelte
der Verstärkung
aufweist, die für
die Verstärkung
des modulierten Signals, das um den idealen Gleichstrompegel herum
oszilliert, verwendet werden könnte.
Dieses Erfordernis besteht für
den Fall, bei dem das Einschaltverhältnis der modulierten Signale
3 : 1 oder 1 : 3 (N = 3) beträgt.
Wenn N 4 oder größer ist,
wird die erforderliche Verstärkung
entsprechend größer. Aus
diesem Grund ist N = 3 eine optimale Wahl, weil sie die erforderliche
Verstärkung
minimiert. Darüber
hinaus ist bei der Verstärkung
solcher Impulssignale die Unterscheidung der beiden Werte, d.h.
der H- und L-Pegel erforderlich, die Qualität oder Deutlichkeit des Signalverlaufs
ist jedoch nicht wichtig. Daher kann zur Verstärkung der modulierten Signale
ein Sättigungsverstärker verwendet werden.
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Nun
wird die Demodulation für
die ursprünglichen
Signale der modulierten Signale, die wie zuvor beschrieben moduliert
und ausgegeben worden sind, beschrieben. Gemäß diesem Beispiel wird die
Demodulation für
die modulierten Signale ausgeführt,
die als Impulssignale moduliert worden sind, von denen jedes ein Einschaltverhältnis (H
: L) von 3 : 1 aufweist, und für
die das Datensignal mit dem H-Pegel sich mit einer Periode von Tm
wiederholt und ebenfalls für
modulierte Signale, die als Impulssignale moduliert worden sind,
von denen jedes ein Einschaltverhältnis (H : L) von 1 : 3 aufweist,
und bei denen sich das Datensignal mit dem L-Pegel mit einer Periode
von Tm wiederholt.
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Bei
der Demodulation der modulierten Signale, welche als Impulssignale
mit Einschaltverhältnissen
(H : L) von 3 : 1 und von 1 : 3, moduliert worden sind, erfolgt
zuerst eine Bestimmung, ob der Signalpegel zu einer vorbestimmten
Zeit nach dem Ansteigen des Pegels vom L-Pegel zum H-Pegel (d.h. bei
der Verzögerungszeit
Ty) ein H-Pegel oder ein L-Pegel ist. Wenn es ein H-Pegel ist, wird
dieses Signal mit der Periode Tm in ein Signal, das den H-Pegel
aufweist, umgewandelt. Hingegen wird, wenn der Signalpegel bei der
vorgegebenen Verzögerungszeit Ty
den L-Pegel aufweist, dieses Signal mit der Periode Tm zu diesem
Zeitpunkt in ein Signal mit dem L-Pegel umgewandelt.
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Zum
Beispiel befindet sich im Falle der modulierten Signale mit einem
Einschaltverhältnis
(H : L) von 3 : 1, welches dem Datensignal mit dem H-Pegel entspricht,
das Signal bei der vorbestimmten Verzögerungszeit Ty nach der Signaländerung
vom L-Pegel zum H-Pegel auf dem H-Pegel, wie in 5 gezeigt.
Daher wird dieses Signal mit der Periode Tm in ein Signal mit dem
H-Pegel umgewandelt. Solange die modulierten Signale mit einem Einschaltverhältnis (H
: L) von 3 : 1 fortbestehen, wird der H-Pegel in dem Datensignal,
wie in der Figur dargestellt, demoduliert. Obwohl eine Verzögerung mittels
der vorgegebenen Verzögerungszeit
Ty auftritt, wird der H-Pegel des Datensignals, der vor der Modulation
auch vorlag, bei der Demodulation genau reproduziert. Gleichermaßen befindet
sich im Falle der modulierten Signale mit einem Einschaltverhältnis (H
: L) von 1 : 3, welches dem Datensignal mit einem L-Pegel entspricht,
das Signal bei der vorgegebenen Verzögerungszeit Ty nach der Signaländerung
vom L-Pegel zum H-Pegel
auf dem L-Pegel, wie in 6 gezeigt. Daher wird dieses
Signal mit der Periode Tm in ein Signal mit dem L-Pegel umgewandelt.
Solange die modulierten Signale mit einem Einschaltverhältnis (H
: L) von 1 : 3 fortbestehen, wird der L-Pegel in den Datensignalen weiterhin
wie in der Figur dargestellt demoduliert. Obwohl eine Verzögerung durch die
vorgegebene Verzögerungszeit
Ty auftritt, wird der L-Pegel der Datensignale, der vor der Modulation vorlag,
bei der Demodulation genau reproduziert.
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Zur
Extraktion der Datensignale durch das Demodulieren der wie zuvor
beschriebenen modulierten Signale, wird z.B. ein D-Flip-Flop verwendet. In
diesem Fall werden die modulierten Signale an den D-Eingang des
D-Flip-Flips angelegt, während die
um die vorgegebene Verzögerungszeit
Ty verzögerten
modulierten Signale an den Takteingang desselben angelegt werden,
um die demodulierten Datensignale am Q-Ausgang des D-Flip-Flops
zu erzeugen. Mit anderen Worten ist das D-Flip-Flop ein Flip-Flop,
das den Zustand des in den D-Eingang eingespeisten Signals übernimmt,
wenn der in den Takteingang eingespeiste Signalpegel ansteigt, und
dies drückt
den Zustand aus, der am Q-Ausgang desselben ausgegeben wird. Wie
in den 5 und 6 dargestellt, ermöglichen
die um die vorgegebene Verzögerungszeit
verzögerten
und in den Takteingang des D-Flip-Flops eingespeisten modulierten Signale,
dass das D-Flip-Flop die ursprünglichen
Signale (Datensignale) bei der Demodulation reproduziert.
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Hierbei
muss die Verzögerungszeit
Ty für
die in den Takteingang eingespeisten modulierten Signale die folgende
Bedingung erfüllen:
Ty < (3/4) Tm. Wie
aus 5 ersichtlich, reproduziert die Demodulation nicht
die richtigen Datensignale, wenn die Verzögerungszeit Ty hinsichtlich
der Periode der modulierten Signale mit einem Einschaltverhältnis (H
: L) von 3 : 1 zu lang ist und diese es dem Signalpegel erlaubt,
bei der Verzögerungszeit
Ty auf den L-Pegel zu fallen. Darüber hinaus muss die Verzögerungszeit
Ty ebenfalls die folgende Bedingung erfüllen: Ty > (1/4)Tm. Wie aus 6 ersichtlich,
reproduziert die Demodulation auch nicht die richtigen Datensignale, wenn
die Verzögerungszeit
Ty hinsichtlich der Periode der modulierten Signale mit einem Einschaltverhältnis (H
: L) von 1 : 3 zu kurz ist und sie dem Signalpegel bei der Verzögerungszeit
Ty erlaubt, auf dem H-Pegel
zu verbleiben. Deshalb muss die folgende Bedingung (2) erfüllt sein. (1/4)Tm < Ty < (3/4)Tm (2)
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Darüber hinaus
muss unter Berücksichtigung
der Modulation von Signalen mit H- und L-Pegeln in Signale, welche
Impulssignale mit Einschaltverhältnissen
von 1 : N und N : 1 umfassen, die Verzögerungszeit Ty die folgende
Bedingung (3) erfüllen. {1/(N + 1)}Tm < Ty < {N/(N + 1)}Tm (3)
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Auf
diese Weise kann das digitale Signalmodulations- und Demodulationsverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung den Aufbau der Modulations- und Demodulationsvorrichtung
erleichtern, weil es für die
Demodulation der modulierten Signale nicht die Extraktion der modulierenden
Taktinformation, welche zur Modulation der Datensignale verwendet
worden ist, aus den modulierten Signalen erfordert.
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Nun
werden eine Modulationsschaltung und eine Demodulationsschaltung,
die das zuvor beschriebene digitale Signalmodulations- und Demodulationsverfahren
umsetzen, beschrieben. Zunächst wird
die Modulationsschaltung unter Bezugnahme auf die 7 und 9 beschrieben.
Das Modulationszeitablaufdiagramm im 9 zeigt
Signalverläufe,
welche jeweils mit eingekreisten Nummern versehen sind, die den
identischen Nummern der Punkte in 7 entsprechen,
an denen die Signalverläufe
zu beobachten sind.
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Das
Flip-Flip U101 in 7 bewirkt, dass die Verzögerungszeit
eines Datensignals S1 gegenüber einem
modulierenden Taktsignal S2 gesetzt wird und gibt ein Signal S3
aus, welches mit dem modulierenden Taktsignal S2 und einem invertierten
Logiksignal S4 synchronisiert ist. Das Gatter U103 und das Flip-Flop
U104 stellen einen Wechselzähler
dar, bei dem jedes Element wechselweise die Taktpulse des modulierenden
Taktsignale S2 verwendet, während das
Signal S3 sich auf dem H-Pegel befindet. Daraus ergibt sich, dass
der Wechselzähler
ein Signal S5 ausgibt, welches zwischen dem H-Pegel und dem L-Pegel
hin- und herwechselt, wobei die Zeit, während der das Signal auf jedem
Pegel verbleibt, der Periode des modulierenden Taktsignals S2 entspricht.
Ebenso bilden ein weiteres Gatter U105 und ein weiteres Flip-Flop
U106 einen weiteren Wechselzähler,
bei welchem jedes Element ebenfalls wechselweise die Taktpulse des
modulierenden Taktsignals S2 verwendet, während das Signal S3 sich auf dem
L-Pegel befindet, d.h. während
das zum Signal S3 invertierte Logiksignal S4 auf dem H-Pegel ist. Daraus
ergibt sich, dass dieser Wechselzähler ein Signal S6 ausgibt, welches
zwischen dem H-Pegel und dem L-Pegel hin- und herwechselt, wobei
die Zeit, während
der das Signal auf jedem Pegel verbleibt, der Periode des modulierenden
Taktsignals S2 entspricht.
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In
der folgenden Beschreibung werden die Fälle für den logischen H-Pegel des
Datensignals S1 und für
den logischen L-Pegel getrennt beschrieben. Wenn das Datensignal
S1 mit dem H-Pegel in das Flip-Flop U101 eingespeist wird, dessen Übernahmezeitablauf
durch das modulierende Taktsignal S2 gesteuert wird, wird ein Signal
S3 synchron mit dem modulierenden Taktsignal S3 ausgegeben. Wie
in dem Modulationszeitablaufsdiagramm gemäß 9 dargestellt,
wird der H-Pegel des Datensignals S1 zum Zeitpunkt T1 übernommen
und synchron mit dem modulierenden Taktsignal S2 ausgegeben.
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Wie
zuvor erläutert,
wird das Flip-Flop U101 synchron mit dem modulierenden Taktsignal
S2 hin- und hergeschaltet, während
der Ausgang S3 des Flip-Flops U101 sich auf dem H-Pegel befindet.
Das führt
dazu, dass das Signal S5, welches ausgegeben wird, zwischen dem
H-Pegel und dem L-Pegel hin- und herwechselt, wobei jeder Pegel
während
der entsprechenden Periode des modulierenden Taktsignals S2 fortbesteht.
In diesem Fall nimmt das Flip-Flop den ursprünglichen Wechselzustand wieder
ein, wenn die Änderungen
aufhören,
weil das modulierende Taktsignal S2 eine Frequenz eines geradzahligen
Vielfachen des Datensignals S1 aufweist. Das Gatter U118 wird verwendet,
um die Auswirkung der Verzögerungszeit
etc. von Komponenten, welche den Schaltkreis bilden, zu mildern.
Es gibt ein modulierendes Taktsignal S7 aus, welches von dem modulierenden
Taktsignal S2 angepasst wird. Wenn die Verzögerungszeit der Komponenten,
welche die Schaltung bilden, im Wesentlichen gegenüber der Periode
des modulierenden Taktsignals S2 kurz ist, kann dieses Gatter weggelassen
werden und die Schaltung arbeitet ebenso leistungsfähig.
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Die
Gatter U108, U109, U110 und U107 stellen ein RS-Flip-Flop dar, welches
das Signal S5, das von dem Flip-Flop U104 ausgegeben wird und das modulierende
Taktsignal S7, welches durch das Gatter U118 angepasst wird, empfängt. Das RS-Flip-Flop
umfasst dieselbe Anzahl von Gattern wie die Anzahl von Schritten,
um die Signalverzögerungszeit
gleichmäßig zu verteilen.
Wenn jedoch die Verzögerungszeit
des RS-Flip-Flops im Wesentlichen gegenüber der Periode des angepassten
modulierenden Taktsignals S7 kurz ist, kann das Gatter U118 entfallen
und das RS-Flip-Flop arbeitet genauso leistungsfähig. Das RS-Flip-Flop gibt
ein Signal S8 aus, welches den H-Pegel für eine Zeitdauer eines Pegelanstiegs
des angepassten modulierenden Taktsignals S7 bis zum nächsten Pegelanstieg
desselben beibehält
und speist dieses Signal S8 dem Gatter U111 ein. Dies führt dazu,
dass dieses Gatter U111 ein Signal S9 mit einen modulierten Puls
aufweist, der auf dem H-Pegel über
eine Zeitdauer hinaus verbleibt, die dem H-Pegel, L-Pegel und H-Pegel
des Taktsignals S7 entspricht. Mit anderen Worten ist das Signal
S9 das modulierte Signal (ein Impulssignal mit einem Einschaltverhältnis (H
: L) von 3 : 1) für
das Datensignal S1 auf dem H-Pegel.
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Wenn
hingegen das Datensignal S1 auf dem L-Pegel in das Flip-Flop U101
eingespeist wird, dessen Übernahmezeitablauf
durch das modulierende Taktsignal S2 gesteuert wird, wird ein Signal
S3 auf dem L-Pegel synchron mit dem modulierenden Taktsignal S2
ausgegeben. Daher empfängt
das Gatter U105 ein Signal S4 auf dem H-Pegel, welches die invertierte
Logik des Signals S3 auf dem L-Pegel aufweist. Wie in dem Modulations-Zeitablaufdiagramm gemäß 9 dargestellt,
wird der L-Pegel des Datensignals S1 zu einem Zeitpunkt T4 übernommen und
synchron mit dem modulierenden Taktsignal S2 ausgegeben.
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Das
Flip-Flop U106 wird synchron mit dem modulierenden Taktsignal S2
hin- und hergeschaltet, während
der Ausgang S3 des Flip-Flops U101 sich auf dem L-Pegel befindet,
d.h. während
die invertierte Logik S4 des Signals S3 sich auf dem H-Pegel befindet.
Dies führt
dazu, dass das Signal S6, welches von dem Flip-Flop ausgegeben wird,
zwischen dem H-Pegel und dem L-Pegel hin- und herwechselt, wobei
jeder Pegel für
die entsprechende Periode des modulierenden Taktsignals S2 beibehalten
wird. In diesem Fall nimmt, auch weil das modulierende Taktsignal
S2 eine Frequenz eines geradzahligen Vielfachen des Datensignals
S1 besitzt, das D-Flip-Flop den ursprünglichen Wechselzustand wieder
ein, wenn der Wechselvorgang aufhört.
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Das
Gatter U119 und das Flip-Flop U112 werden zur Synchronisation auf
die fallende Flanke des angepassten modulierenden Taktsignals S7
verwendet, um den H-Pegel des modulierenden Taktsignals S7 ohne
den Effekt einer Verzögerungszeit
etc. von Komponenten, welche die Schaltung bilden, zu schalten.
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Wenn
jedoch die Verzögerungszeit
der Komponenten, welche die Schaltung bilden, im Wesentlichen kurz
hinsichtlich der Periode des angepassten modulierenden Taktsignals
S7 ist, können
diese Elemente weggelassen werden, und die Schaltung wird trotzdem
gleichermaßen
leistungsfähig
arbeiten.
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Das
Gatter U113 gibt ein Signal S10 aus, welches sich beim ersten H-Pegel
des angepassten modulierenden Taktsignals S7, das von dem Gatter U118
ausgegeben wird, auf dem H-Pegel befindet, das jedoch beim nächsten H-Pegel
des angepassten modulierenden Taktsignals auf dem L-Pegel liegt, wobei
sich dieser Vorgang, wie in der Figur dargestellt, wiederholt. Mit
anderen Worten stellt dieses Signal S10 das modulierte Signal (ein
Impulssignal mit einem Einschaltverhältnis (H : L) von 1 : 3) für das Datensignal
S1 auf dem L-Pegel dar. Das Flip-Flop U102 erzeugt ein Steuerungssignal
S11, das die Signale S9 und S10 zur Bereitstellung des modulierten Signals
S12 schaltet, die jeweils von den Gattern U111 und U113 ausgegeben
werden. Das Steuerungssignal S11 und die invertierte Logik, die
von dem Flip-Flop U102 ausgegeben wird, werden verwendet, um das
modulierte Signal S10, das von dem Gatter U113 mit Hilfe des Gatters
U115 ausgegeben wird, zu unterdrücken,
während
das Datensignal S1 sich auf dem H-Pegel befindet, und um das modulierte
Signal S9, welches von dem Gatter U111 mit Hilfe des Gatters U114
ausgegeben wird, während
sich das Datensignal S1 auf dem L-Pegel befindet, zu unterdrücken. Auf
diese Weise wird entsprechend dem logischen Wert des Datensignals
S1 entweder das Signal S9 oder das Signal S10 zum Gatter U116 durchgeschaltet,
welches die Endversion des modulierten Signals S12 ausgibt. Die
vorstehenden Abschnitte haben die Schaltungsanordnung und den Betrieb
der Modulationsschaltung erläutert.
Was die Verzögerungszeit
der Modulationsschaltung angeht, ist auf das Modulationszeitablaufdiagramm
in 9 Bezug zu nehmen. Die Zeitdauer zwischen T1 und T3
ist die Verzögerungszeit
der Modulationsschaltung, während
das Datensignal S1 sich auf dem H-Pegel befindet, und die Zeitdauer
zwischen T4 und T6 ist die Verzögerungszeit
der Modulationsschaltung, während
sich das Datensignal S1 auf dem L-Pegel befindet. Wie aus 9 hervorgeht,
sind die Zeitdauern zwischen T1 und T3 und zwischen T4 und T6 gleich
und diese werden sich nicht fortwährend ändern. Daher wird das Datensignal
S1 in das modulierte Signal S12 synchron mit dem modulierenden Taktsignal
S2 in Echtzeit moduliert.
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Nun
wird unter Bezugnahme auf die 8 und 10 die
Demodulationsschaltung beschrieben. Das Demodulationszeitablaufdiagramm,
das in 10 dargestellt ist, zeigt Signalverläufe, welche jeweils
mit römischen
Ziffern gekennzeichnet sind, die den identischen Zahlen der Punkte
entsprechen, welche im Schaltplan gemäß 8 ausgewiesen sind,
und an denen diese Signalverläufe
zu beobachten sind.
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In 8 dient
das Gatter U201 dazu, die Verzögerungsleitung
zu treiben. Wenn das modulierte Signal S13 genügend Treiberkapazität aufweist, kann
dieses Element entfallen und die Schaltung ist ebenso leistungsfähig, obwohl
es notwendig sein kann, die logischen Pegel einzustellen. Die Gatter U202
und U203 dienen dazu, den Signalverlauf des Signals wieder herzustellen.
Wenn der Signalverlauf eine ausreichende Deutlichkeit als digitaler
Signalverlauf besitzt, können
auch diese Elemente entfallen und die Schaltung ist immer noch ebenso
leistungsfähig,
obwohl es notwendig sein kann, die logischen Pegel anzupassen. Die
Verzögerungsleitung umfasst
passive Elemente und dient dazu, das Ausgangsignal, d.h. das Durchlaufen
des eingegebenen Signals, um die vorgegebene Verzögerungszeit
Ty zu verzögern.
Hierbei wird die Ausgabe um die Hälfte der Zeitdauer des Datensignals
(Ty = Tm/2) verzögert,
um die vorstehende Bedingung (2) zu erfüllen. Auf diese Weise erfordert
die Verzögerungsleitung, die
passive Elemente umfasst, keine Einschwingzeit, wie sie eine PLL
benötigt,
so dass die Verzögerungsleitung
in Echtzeit synchron mit dem Eingangssignal reagieren kann.
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Der
Ausgang S14 des Gatters U202 wird in den D-Eingang des Flip-Flops
U204 eingespeist, während
der Ausgang S15 des Gatters U203 (d.h. das modulierte Signal S13,
das um die Verzögerungszeit
Ty verzögert
ist) in den Takteingang desselben eingespeist wird. Dies führt dazu,
dass das Flip-Flop ein Datensignal S16 ausgibt, welches die demodulierte
Version des ursprünglichen
Datensignals, wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 5 und 6 beschrieben,
darstellt.
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Wie
aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, stellt das digitale
Signalmodulations- und Demodulationsvertahren gemäß der vorliegenden Erfindung
eine einfache Schaltungsanordnung zur Modulation und Demodulation
digitaler Signale bereit. Insbesondere, weil die Modulationsschaltung
nur Flip-Flop-Schaltungen
und Gatterelemente umfasst, kann sie einfach als IC hergestellt
werden und die Schaltungselemente können kostengünstig in
einfachen Anordnungen realisiert werden. Die Demodulationsschaltung
kann ebenfalls kostengünstig
und in einfacher Anordnung realisiert werden, weil die Schaltung
so konzipiert ist, dass das modulierte Signal um eine vorgegebene
Zeit (eine Periode eines Taktsignals gemäß obigem Ausführungsbeispiel)
verzögert
und das verzögerte
Signal als Taktsignal zur Demodulation verwendet wird. Daraus folgt,
dass die Modulations- und Demodulationsvorrichtungen miniaturisiert
werden können.