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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Übertragung von in asynchroner Form vorliegenden Daten über
einen Infrarotkanal ohne materiellen Träger.
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Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist also genauergesagt
jenes der Datenübertragung zwischen Organen, die mit
asynchronen Schnittstellen versehen und in einem Abstand
voneinander angeordnet sind, wobei der Raum zwischen diesen
Organen frei von jedem materiellen Verbindungsträger und
durchlässig für Infrarotstrahlung ist. Als Beispiel besteht
eine spezielle Anwendung der Erfindung darin, den Dialog
zwischen einer autonomen beweglichen Maschine und einem
Steuerungssystem mit entlang der Bahn der Maschine angeordneten
fixen Schranken zu gewährleisten, wie in der im Namen der
Anmelderin hinterlegten Patentanmeldung FR-A-88 11296
beschrieben ist.
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Eine Schnittstellenschaltung zur Übertragung von asynchron
empfangenen numerischen Daten in Form von kodierten Daten in
synchroner Form ist bereits aus der Patentanmeldung WO-A-8 600
482 bekannt.
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Von den Formen der Datenübertragung zwischen automatischen
Anlagen ist die asynchrone Form die am häufigsten verwendete,
insbesondere über standardisierte Verbindungen, von denen die
häufigsten jene gemäß der Verordnung V24 des C.C.I.T.T. und
jene gemäß dem EIA-Standard RS 232C sind.
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Gemäß dieser üblichen Datenübertragungsform wird ein Wort
aus mehreren (im allgemeinen 7 bis 8) Bits in einem Raster
zwischen einem den Beginn des Wortes markierenden und einem das
Ende des Wortes markierenden Bit seriell transportiert. Ein
zusätzliches Bit zur Paritätsprüfung kann vor dem Wortende-Bit
eingefügt sein.
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Das Wort wird üblicherweise durch bipolare elektrische
Signale dargestellt, die, ausgenommen im Fall der direkten
elektrischen Verbindung zwischen Sender und Empfänger,
Modulator/Demodulator-Kreise durchsetzen, welche die
Übertragung der Signale in Form von mehreren Zuständen einer
radioelektrischen oder optischen Trägerschwingung,
gekennzeichnet durch die Frequenz, Phase, ..., gestatten.
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Die besonderen Vorteile einer Übertragung unter Verwendung
eines optischen Signals im Infrarotbereich über Lichtleiter,
wie optische Fasern, sind bekannt, wie beispielhaft in der
Patentanmeldung GB-A-2 196 518 beschrieben ist.
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Dabei ist es nicht immer möglich, einen materiellen
Verbindungsträger zu verwenden, und die vorliegende Erfindung
beschäftigt sich gerade mit dem Fall, wo es keinen solchen
Träger gibt.
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Die Übertragung von Informationen mittels Infrarot ohne
materiellen Verbindungsträger ist sicherlich gut bekannt, wobei
eines der verbreitetsten Anwendungsgebiete die Fernbedienung
von Fernsehern, Magnetoskopen od. dgl. Apparaten ist. Die
Übertragung von Infrarotsignalen wird sicherlich von
natürlichen oder künstlichen Störquellen beeinträchtigt:
Tageslicht, Beleuchtung, Hitzepunkte von Maschinen, ..., man
kann aber bei solchen Anwendungen diese Störungen ausschalten,
indem man ein charakteristisches moduliertes Signal entsendet,
das beim Empfang gefiltert wird, um das Grundrauschen zu
eliminieren.
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Die Übertragung von Daten in asynchroner Form über einen
Infrarotkanal ohne materiellen Verbindungsträger stellt
besondere Probleme.
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Per definitionem besitzt ein asynchrones Raster keinen
fixen Taktgeberbezug, sodaß seine Modulation als solche die
Verwendung von Trägersignalen verlangt, die auf eine erhöhte
Frequenz moduliert sind. So erfordert als Beispiel eine
Modulation in der richtigen Frequenz vom FSK-Typ Signale, die
um mindestens 100 kHz zentriert sind, um asynchrone Raster mit
der genormten Rate von 9600 Baud zu transportieren, und das mit
einer Verschlechterung des Originalformats in der Größenordnung
von 15 %. Es sei hiezu bemerkt, daß eine derartige
Verschlechterung katastrofal werden kann, wenn das Raster
mehrere aufeinanderfolgende Übertragungen durchmachen soll.
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Derartige Modulationsfrequenzen sind an der Grenze der
Möglichkeiten, die von am Markt zu relativ niedrigen Preisen
erhältlichen Infrarot-Sende- und Empfangskomponenten geboten
werden, d.h. Komponenten, die in den weiter oben genannten
weitverbreiteten Apparaten (Fernsteuerung von Fernsehern,
Magnetoskopen oder analogen Apparaten) verwendet werden.
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Es gibt technische Lösungen, die gesteigerte Möglichkeiten
bieten, diese sind aber kostspielig (seltene Komponenten,
spezielle Steuerelektronik) und scheitern an
Benützungsverboten (für die Augen gefährliche Hochgeschwindigkeits- und
Hochleistungs-Infrarotsendedioden).
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Daher bezweckt die vorliegende Erfindung die Schaffung
einer Vorrichtung, mit der die Übertragung von in asynchroner
Form vorliegenden Daten unter Verwendung eines Infrarotkanals
ohne materiellen Träger unter Vermeidung der zuvor aufgezeigten
Nachteile des Standes der Technik möglich ist.
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Dieses Ziel wird erreicht mit einer Vorrichtung umfassend:
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- mindestens einen Sendekreis mit einem Dateneingang, der zu
übertragende numerische Daten in asynchroner Form empfängt,
einem Infrarotsender und ersten Wandlermitteln zum Umformen
der numerischen Daten in gesendete Infrarotsignale,
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- mindestens einen Empfangskreis mit einem
Infrarotsignaldetektor, einem Datenausgang und mit dem Detektor verbundenen
zweiten Wandlermitteln zum Umformen der empfangenen
Infrarotsignale in am Datenausgang verfügbare numerische Daten
in asynchroner Form,
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bei welcher Vorrichtung erfindungsgemäß:
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- die ersten Wandlermittel aufweisen: erste
Codewandlermittel zum Umwandeln der am Eingang des Sendekreises
empfangenen asynchronen numerischen Daten in numerische Daten
in synchroner Form mit einem Takt, der mindestens gleich jenem
der asynchronen Daten ist, und mit einem derartigen
Rasterformat, daß die Anzahl von aufeinanderfolgenden Bits mit
einem ersten Status zwischen zwei Bits mit einem zweiten Status
höchstens gleich einem vorbestimmten Maximalwert ist; und
Sendersteuermittel zum Umwandeln mindestens jedes Bits mit dem
zweiten Status in die synchronen numerischen Daten in Form
eines Infrarotimpulses; und
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- die zweiten Wandlermittel aufweisen: Mittel zum
Wiederherstellen der numerischen Daten in synchroner Form aus
den vom Detektor empfangenen Infrarotimpulsen und zweite
Codewandlermittel zum Umwandeln der wiederhergestellten synchronen
numerischen Daten in am Datenausgang des Empfangskreises
verfügbare numerische Daten in asynchroner Form.
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Die Änderung der Rasterform - Übergang von der asynchronen
Form zur synchronen Form - gestattet die Beschränkung der
Modulationsfrequenz auf einen Wert derselben Größenordnung wie
die ursprüngliche asynchrone Rate, d.h. auch bei recht hohen
asynchronen Raten auf einen Wert, der den Einsatz von
preisgünstigen und gefahrlosen Infrarotsendern und -empfängern
zuläßt.
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Außerdem gewährleistet die Art der Umwandlung von
asynchronen Daten in synchrone Daten und dann in
Infrarotimpulse, wie sie die erfindungsgemäße Vorrichtung realisiert,
einen minimalen Impulsbetrieb, der die Aufrechthaltung der
speziellen Arbeitsbedingungen für Filter, die üblicherweise
beim Infrarotempfang verwendet werden, gestattet. Vorzugsweise
erfolgt die Kodierung der Daten in synchrone Form in einem
HDLC-Standardformat ("High Level Data Link Control").
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Es sei noch bemerkt, daß die Wiederherstellung der Daten
in asynchroner Form durch den Empfangskreis nach der Infrarot-
Relaisübertragung die Beseitigung von Risken kumulativer
Verschlechterungen der Daten bewirkt, wenn diese mehrmals
erneut übertragen werden.
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Die Erfindung wird verständlicher bei Lesen der
nachstehend illustrativ, aber nicht einschränkend angeführten
Beschreibung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen
Zeichnungen, worin:
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- Fig. 1 sehr schematisch eine Anwendung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
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- Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
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- Fig. 3 schematisch eine mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung durchgeführte Umwandlung des Datenrasterformats
veranschaulicht;
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- Fig. 4 ein detaillierteres Schema eines Teils des
Sendekreises der Vorrichtung der Fig. 2 ist;
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- Fig. 5 ein detaillierteres Schema eines Teils des
Empfangskreises der Vorrichtung der Fig. 2 ist; und
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- Fig. 6 eine Ausgestaltung der Sender und Empfänger zeigt,
die eine breite Positioniertoleranz zwischen zwei
Übertragungsvorrichtungen zuläßt.
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Fig. 1 zeigt als Beispiel eine Anwendung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Übertragung von Daten zwischen
einem entlang einer bestimmten Bahn beweglichen Wagen 101 und
einer fixen Schranke 102 aus einer Reihe von entlang der Bahn
des Wagens verteilt angeordnete Schranken. Die Schranke 102
weist einen Kasten 103 auf, in dem sich ein Infrarotsendekreis
und ein Infrarotempfangskreis befinden. Der Wagen 101 trägt
einen Kasten 103 ähnlich dem von der Schranke 102 getragenen
und weist ebenfalls mindestens einen Infrarotsendekreis und
einen Infrarotempfangskreis auf. Der Wagen 101 bleibt vor der
Schranke 102 stehen, sodaß sich die Kästen 103 einander
gegenüber befinden, um die Übertragung von Daten mittels
Infrarot durch den den Wagen 101 von der Schranke 102
trennenden Raum ohne materiellen Verbindungsträger zu
gestatten.
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Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Übertragungsvorrichtung mit einer Gruppe aus Infrarotsendekreis und
Infrarotempfangskreis, wie sie in einem Kasten 103 enthalten
sein kann, ist in Fig. 2 veranschaulicht.
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Zu übertragende numerische Daten werden in asynchroner
Form an einem Eingang 212 erhalten und über eine die
Formatierung der Signale gewährleistende Verstärkerschaltung
210 an eine asynchrone Schnittstellenschaltung 202 angelegt.
Nach Passieren der Schnittstellenschaltung 202 werden die zu
übertragenden numerischen Daten an eine synchrone
Schnittstellenschaltung 203 angelegt, um in ein synchrones
Raster eingeführt zu werden. Dazu wird ein von einem
Modulationskreis 220 kommendes Taktbezugssignal über eine
Verbindung 221 an die Schnittstellenschaltung 203 angelegt. Der
Modulationskreis 220 empfängt das synchrone Raster über eine
Verbindung 222 und steuert eine Infrarotsendediode 223 an, um
die kodierten Daten in synchroner Form in Form von
Infrarotimpulsen umzuwandeln.
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Beim Empfang werden die von einem Detektor 232,
beispielsweise einer Infrarotdetektionsdiode, empfangenen
Infrarotimpulse mit Hilfe des Demodulationskreises 230
demoduliert, um ein synchrones Raster zu liefern, das über eine
Verbindung 233 an die synchrone Schnittstellenschaltung
überttagen wird. Ein durch den Demodulationskreis 230 aus den
empfangenen Impulsen rekonstituiertes Taktsignal wird über eine
Verbindung 231 an die Schnittstellenschaltung 203 übertragen.
Nach Passieren der Schnittstellenschaltung 203 werden die den
empfangenen Infrarotimpulsen entsprechenden numerischen Daten
an die asynchrone Schnittstellenschaltung 202 angelegt, um in
ein asynchrones Raster gebracht zu werden, das nach Passieren
einer Verstärkerschaltung 211 zum Formatieren der Signale an
einem Ausgang 213 verfügbar ist. Die Schnittstellenschaltungen
202 und 203 werden sowohl beim Senden als auch beim Empfang zur
Durchführung der gewünschten Umkodierung der Daten verwendet.
Beim Senden werden die zu übertragenden Daten in asynchroner
Form von der Schaltung 202 dekodiert und dann von der Schaltung
203 in synchrone Form rückkodiert. Beim Empfang werden die in
synchroner Form empfangenen Daten von der Schaltung 203
dekodiert und dann von der Schaltung 202 in asynchrone Form
rückkodiert. Die Übertragung der Daten zwischen den Schaltungen
202 und 203 wird von einem Mikroprozessor 201 gesteuert. Ein im
Mikroprozessor 201 gespeichertes Programm sichert für jedes von
der asynchronen Schnittstellenschaltung 202 empfangene Zeichen
die Rückkopie für die Übertragung zur synchronen
Schnittstellenschaltung 203 und für jedes vom synchronen Raster
durch die synchrone Schnittstellenschaltung 203 extrahierte
Zeichen die Rückkopie für die Übertragung zur asynchronen
Schnittstellenschaltung 202.
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Die Schaltungen 202 und 203 bestehen beispielsweise aus
einem asynchronen Sender/Empfänger, Referenz 2651, und einem
synchronen Sender/Empfänger, Referenz 2652, die beide bei der
Firma Signetics, USA, erhältlich sind, während der
Mikroprozessor von dem bei der Firma Intel, USA, erhältlichen Typ
8051 sein kann.
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Fig. 3 veranschaulicht eine Umkodierung von Daten, wie sie
mit der soeben beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden
kann.
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Das Bezugszeichen 301 bezeichnet einen Zug von Signalen,
die für Daten in einem Raster mit asynchronem Format stehen.
Man kann das "HT"-Zeichen (Horizontaltabulatorzeichen) und dann
den Buchstaben "0" im binären Code, C.C.I.T.T.-Norm Nr. 5,
übertragen auf 7 Bits mit Geradzahl-Parität, erkennen. Die
übliche symbolische Auswertung des Signalzugs 301 ist in 302
angegeben, um das Formatumwandlungsprinzip zu veranschaulichen.
Der Signalzug 301 wird in einen Impulssignalzug 303 umkodiert,
der für Infrarotübertragung optimiert wurde. Die
Modulationsgeschwindigkeit des Signalzugs 303 ist größer oder gleich jener
des asynchronen Anfangssignalzugs 301, im dargestellten
Beispiel etwas höher. Die symbolische Auswertung des Signalzugs
303 ist in 304 angegeben. Man erkennt dort das Rasterformat als
HDLC-Datenübertragung ("High Level Data Link Control").
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In diesem Format werden die Zeitintervalle zwischen zwei
Zeichen (wie den mit AAAAAAAA und BBBBBBBB angemerkten) von
unter dem Namen Fahnen (Kennzeichen) bekannten Sequenzen
eingenommen, die aus 6 Bits im Status "1", umrahmt von 2 Bits
im Status "0", zusammengesetzt sind. Nutzdaten enthalten nie
sechs aufeinanderfolgende "1" dank dem bekannten Mechanismus
der Einfügung einer "0" nach fünf "1", wie hier am zweiten
Zeichen veranschaulicht ist. Dieses Rasterformat garantiert
somit mindestens eine "0" nach sechs aufeinanderfolgenden "1".
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Es genügt daher, ein solches Rasterformat in Verbindung
mit der Darstellung der "0" durch einen kalibrierten
Infrarotimpuls zu verwenden, um einen minimalen Impulsbetrieb
an der Verbindung zu gewährleisten, wobei man sich mit einer
Modulationsgeschwindigkeit derselben Größenordnung wie die
asynchrone Anfangsrate zufrieden gibt. Auf diese Weise können
die spezifizierten Arbeitsbedingungen der üblichen Infrarot-
Empfangsfilter aufrechterhalten werden.
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Die Modulation der Infrarotemission in der Weise, daß die
Bits im Status "0" durch einen kalibrierten Infrarotimpuls und
Bits im Status "1" durch einen fehlenden Impuls repräsentiert
werden, ist am energiewirtschaftlichsten, weil das Fehlen von
Sendedaten auf zwei Impulse pro acht Bitzeiten begrenzt ist.
Selbstverständlich könnten andere Modulationsverfahren
eingesetzt werden, beispielsweise könnten zwei unterschiedliche
Impulsdauern zur Darstellung der Bits im Status "0" und der
Bits im Status "1" verwendet werden (sogenannte PWM-Methode für
"Pulse Width Modulation" oder Impulsbreitenmodulation).
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Eine spezielle Ausführungsform des Modulatorkreises 220
wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben.
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Eine quarzgesteuerte Zeitbasis 401 liefert ein
symmetrisches Taktsignal H, das an die Leitung 221 und an den
Eingang einer monostabilen Schaltung 402 angelegt wird, um in
entgegengesetzter Phase und hintereinander die Anzeige des
folgenden Bits über die synchrone Schnittstellenschaltung 203
an der Leitung 222 und die Abgabe eines kalibrierten Impulses
von einer geringeren Dauer als der eines Bits durch die
monostabile Schaltung 402 zu bewirken.
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Ein UND-Gatter 404 mit zwei Eingängen, von denen einer mit
dem Ausgang der monostabilen Schaltung 402 und der andere über
einen Inverter mit der Leitung 222 verbunden ist, hat einen
Ausgang, der über einen Leistungsverstärker 405 mit der
Infrarotsendediode 223 verbunden ist. Das aktuelle Bit
invertiert durch die Stufe 403, sperrt das Gatter 404, wenn es
im Status "1" ist, während es dieses für den von der
monostabilen Schaltung 402 erzeugten Impuls durchlässig macht,
wenn es im Status "0" ist. Auf diese Weise gelangen die von der
monostabilen Schaltung 402 erzeugten Impulse nur dann an den
Verstärker 405, wenn das aktuelle Bit im Status "0" ist. Daraus
ergibt sich ein Impuls-Infrarotraster, wie es weiter oben unter
Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wurde.
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Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 5 eine besondere
Ausführungsform des Demodulatorkreises beschrieben.
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Eine quarzgesteuerte Zeitbasis 501 liefert ein
symmetrisches Taktsignal H' nach Frequenzteilung durch einen
zwischengeschalteten Zähler 502. Die Frequenz des Taktsignals
H' ist dieselbe wie die des von der Zeitbasis 401 gelieferten
Taktsignals H. Das Taktsignal H' wird einerseits über die
Leitung 231 übertragen und kopiert anderseits eine logische "1"
in ein D-Flipflop 505 nach Durchlaufen eines Inverters 503 und
eines Verzögerungskreises 504. Das Ausgangssignal des D-
Flipflops 505 stellt das Datensignal im synchronen Format dar,
das über die Leitung 233 an die Schnittstellenschaltung 203
geleitet wird.
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In Abwesenheit von Impulsen am Rückstelleingang des
Flipflops 505 liefert dieses an seinem Ausgang eine Folge von
Bits im Status "1" mit demselben Rhythmus wie die
Übertragungsgeschwindigkeit.
Wird ein Infrarotimpuls von der
Detektionsdiode 232 empfangen, erzeugt eine
Vorverstärkerschaltung 506 einen elektrischen Impuls, der durch eine
Inverterstufe 507 formatiert wird, bevor der Rückstelleingang
des Flipflops 505 angesteuert wird, wodurch eine logische "0"
als Datensignal erzwungen wird, welche später über die Leitung
233 an der synchronen Schnittstellenschaltung 203 aufscheint.
Die Vorverstärkerschaltung 506 besteht beispielsweise aus der
integrierten Schaltung Referenz SL486 der britischen Firma
Plessey. Sie gewährleistet auf an sich bekannte Weise die
Funktionen der Filterung und der automatischen
Verstärkungssteuerung, wobei die Funktionsparameter der Schaltung 506 durch
den vom gewählten Synchronraster gewährleisteten minimalen
Impulsbetrieb aufrechtgehalten werden.
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Der Ausgang des Inverters 507 ist außerdem unter
Zwischenschaltung einer Verzögerungsschaltung 508 mit dem
Rückstelleingang des Zählers 502 verbunden, was die
Neueinstellung der Phase des Taktsignals H', ausgehend vom
empfangenen Signal, bewirkt.
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So werden zwischen den Zeiten des Empfangs von
Lichtimpulsen entsprechend logischen Pegeln "0" (welche im
betreffenden Beispiel als um höchstens sechs Bitzeiten
auseinanderliegend angesehen werden) Bits im Niveau "1" mit
einem Takt mit Verzögerung, z.B. um etwa eine Viertelperiode,
bezüglich des Taktes des Sendemodulators lokal erzeugt. Jeder
empfangene Lichtimpuls annuliert sofort den Pegel "1", um einen
Pegel "0" auf der Leitung 221 erscheinen zu lassen, und stellt
die Phase des Taktes des Empfangsdemodulators neu ein.
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Bei der vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 5
beschriebenen Übertragungsvorrichtung ist ein Sendekreis mit
einem Empfangskreis kombiniert. Sie dient zur Kommunikation mit
einer anderen, analogen Übertragungsvorrichtung, um die
bidirektionale oder auch Duplex-Übertragung von Daten zu
ermöglichen.
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Selbstverständlich ist die Erfindung auch anwendbar bei
der unidirektionalen Übertragung von Daten mit Hilfe einer
Vorrichtung, die einen Infrarotsendekreis und einen
Infrarotempfangskreis aufweist, welche in einer Entfernung voneinander
angeordnet und nicht materiell miteinander verbunden sind. In
diesem Fall besteht der Sendekreis beispielsweise aus den zum
Senden verwendeten Elementen der Vorrichtung der Fig. 2 bis 5,
während der Empfangskreis durch die beim Empfang verwendeten
Elemente derselben Vorrichtung gebildet ist.
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Im Fall einer bidirektionalen Übertragung zwischen zwei
Vorrichtungen, wie in den Fig. 2 bis 5 dargestellt ist, ist die
Anordnung der Sende- und Empfangsdioden so gewählt, daß eine
Störübertragung zwischen der Sendediode und der Empfangsdiode
ein- und derselben Vorrichtung vermieden wird.
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Wie Fig. 6 zeigt, sind die Sendediode 223 und die
Empfangsdiode 232 in entgegengesetzt angeordneten identischen
Gehäusen 103 untergebracht. Die zueinanderschauenden
Vorderseiten der Gehäuse sind in Form von Platten 601
hergestellt, die aus einem filternden Material bestehen, das im
wesentlichen die Strahlung eliminiert, welche außerhalb eines
vorbestimmten Frequenzbandes, innerhalb dessen sich die
verwendete Infrarotstrahlung befindet, gesendet oder empfangen
wird. Die Sendedioden liegen jeweils am Boden einer Führung
603, die ein in Richtung der vor einem Reflektor 605 gegenüber
dieser befindlichen Empfangsdiode 604 gesendetes Bündel
begrenzt. Der Winkel und die Ausrichtung des von der Sendediode
603 gesendeten Bündels sowie die Anordnung der Empfangsdiode
604 und die Ausrichtung des Reflektors 605 sind derart gewählt,
daß die empfangenen Strahlen praktisch zur Gänze absorbiert
oder nach außerhalb des die Sendediode enthaltenden Gehäuses
103 reflektiert werden. Auf diese Weise kehrt die von der
Sendediode eines Gehäuses 103 gesendete Strahlung zur
Empfangsdiode desselben Gehäuses nur mit einer sehr schwachen
Energie im Vergleich zur Energie der direkt vom anderen Gehäuse
empfangenen Infrarotsignale zurück.
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In Fig. 6 ist auch zu sehen, daß die beiden Gehäuse
gegenseitig näher gebracht und/oder relativ zueinander
verschoben werden und dazwischen einen signifikanten
Diederwinkel einschließen können, ohne die Wirksamkeit der Trennung
der beiden optischen Bahnen zu verändern.