NO303259B1 - Frekvensskiftmodulasjon og demodulasjon for seriell kommunikasjon pÕ en str÷msl÷yfe - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt modulasjons-og demodulasjonsteknikker og, slik som en frekvensskift-modulasjons- og demodulasjonsteknikk på en strømsløyfe.

Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen en strømsløyfeanordning som har en krafttilførsel for å levere strøm på forskjellige strømnivåer mellom 4 mA og 20 mA, en strømsløyfe koblet til krafttilførselen for å føre strømnivåene, moduleringsmiddel for å frembringe signaler som skal overlagres på strømnivået innenfor strømsløyfen, og koblingsmiddel for å koble moduleringsmidlet til strømsløyfen, idet koblingsmidlet tillater kommunikasjon av signaler frembragt av moduleringsmidlet over til strømsløyfen, samt en strømsløyfeanordning som har en krafttilførsel for å levere en strøm på forskjellige strømnivåer mellom 4 mA og 20 mA, en strømsløyfe som er koblet til krafttilførselen for å føre strømnivåene, idet nevnte strømnivåer er modulert av signaler som er overlagret på strømnivåene innenfor strømsløyfen, demoduleringsmiddel for å demodulere nevnte strømnivå, og koblingsmiddel for å koble demoduleringsmidlet til strøm-sløyf en .

Frekvensskiftnøkling (FSK = Frequency Shift Keying) er en form for frekvensmodulasjon som vanligvis anvendes i lavhastighetsmodemer der de to tilstandene av signalet overføres på to separate frekvenser. En "1" overføres ved hjelp av en forutdefinert signalfrekvens (pausefrekvens) og en "0" overføres av en annen forutdefinert signalfrekvens (tegnfrekvens). I støybelagte miljøer er det blitt funnet at FSK har mer støyimmunitet enn andre modulasjonsformer, slik som amplitudemodulasjon eller fasemodulasjon. I effekt-begrensede anordninger, slik som sløyfesendere og batteri-drevne anordninger, krever bruken av FSK for direktekoblet kommunikasjon mellom senderen og en annen anordning typisk en vesentlig effektmengde på grunn av de tallrike krets-elementene som behøves for å dekode og kode FSK signalene. For å minimalisere effektbruk, er modulasjonsteknikker som ikke gjør bruk av frekvensskiftenøkling blitt utviklet, slik som de som anvendes i US patent nr. 4.607.247.

Et annet eksempel på et slikt system er beskrevet i GB-patentsøknad, publikasjon GB-A-2.195.798 som sender data som representeres av nærværet/fråværet av en gruppe av et forutbestemt antall av påhverandre følgende perioder av et periodisk signal.

P.g.a. av det foregående er det blitt ønskelig å utvikle et FSK modulasjonssystem og demodulasjonssystem som mini-maliserer total effektbruk og maskinvarekrav.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse kjennetegnes den førstnevnte strømsløyfeanordningen, som har et moduleringsmiddel, ved at nevnte moduleringsmiddel modulerer frekvens-skiftnøklede pulser (FSK) for å frembringe signaler som har en første forutdefinert frekvens og en andre forutdefinert frekvens, og at moduleringsmidlet omfatter en digitalt styrt oscillator som frembringer nevnte signaler som har en første forutbestemt frekvens og en andre forutbestemt frekvens, idet den digitalt styrte oscillatoren innbefatter kapasitansmiddel som selektivt kan opplades og utlades ved en første takt og en andre takt som tilsvarer henholdsvis den første forut-def inerte frekvensen og den andre forutdefinerte frekvensen.

Ifølge ytterligere utførelsesformer av denne første strøm-sløyf eanordning innbefatter koblingsmidlet transformatormiddel som er koblet til moduleringsmidlet og til strømsløyfen. Transformatormidlet tjener til å isolere moduleringsmidlet fra strømsløyfen, hvorved tillates direktekoblet kommunikasjon av nevnte signaler som har nevnte første forutbestemte frekvens og nevnte andre forutbestemte frekvens over til strømsløyfen.

Videre foreligger mulighet for å innbefatte demoduleringsmiddel for å demodulere et signal som moduleres på strøm- sløyfen, idet demoduleringsmidlet er virksomt til å frembringe frekvensskiftnøklede pulser (FSK) som er representative for nevnte modulerte signal.

Den innledningsvis nevnte andre strømsløyfeanordning, hvilken har et demodulatormiddel, kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen ved at strømnivåene er modulert ved hjelp av frekvensskift-nøklede pulser (FSK), og at demoduleringsmidlet omfatter digitalt styrt oscillatormiddel som er virksomt til å frembringe signaler som har en første forutdefinert frekvens og som har en andre forutdefinert frekvens, idet den digitalt styrte oscillatoren innbefatter kapasitansmiddel som er selektivt oppladbart og utladbart ved en første takt og en andre takt som overensstemmer henholdsvis med den første forutdefinerte frekvensen og den andre forutdefinerte f rekvensen.

Ifølge ytterligere utførelsesformer av den andre strømsøyle-anordningen innbefatter demoduleringsmidlet komparatormiddel som er koblet til det digitalt styrte oscillatormidlet i et faselåst-sløyfearrangement.

Koblingsmidlet kan innbefatte transformatormiddel som er koblet til demoduleringsmidlet og til strømsløyfen. Videre kan koblingsmidlet innbefatte filtermiddel som er innskutt mellom demoduleringsmidlet og transformatormidlet.

En foretrukket form for realisering av oppfinnelsen som beskrevet i detalj i det etterfølgende løser eller i det minste avhjelper de ovennevnte problemer som er knyttet til den kjente teknikk ved tilveiebringelse av et FSK modulasjonssystem og/eller et FSK demodulasjonssystem som mini-maliserer effektkravene og antallet av komponenter som behøves i samme. Modulasjonssystemet innbefatter en digitalt styrt oscillator med utgangsfrekvens regulert av ladnings-takten og utladningstaken hos en kondensator i oscillatoren. En slik oscillator er kjent fra Vol. 27, No. 8 av Electrical

Design News av 14. april 1982 (side 196). En forutdefinert øvre frekvens (tegn frekvens) bestemmes av verdien av en parallell kombinasjon av motstander, mens en forutdefinert nedre frekvens bestemmes av forholdet mellom resistansen i en av de foregående motstander og summen av resistanser i begge motstander. Signalet som frembringes av den digitalt styrte oscillatoren overlagres på en strømsløyfe, hvilket muliggjør seriell kommunikasjon ved hjelp av FSK på sløyfen. Demodulasjonssystemet innbefatter en digitalt styrt oscillator og en fasekomparator som er sammenkoblet i en faselåst-sløyfe løsning. Signalet som frembringes av fasekomparatoren filtreres og sammenlignes med et annet signal for å frembringe et utgangssignal som er en digital representasjon av FSK overlagret på strømsløyfen.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved illustrerende og ikke-begrensende eksempel, med henvisning til de vedlagte tegninger. Fig. 1 er en skjematisk tegning over FSK modulasjonssystemet ifølge den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 illustrerer bølgeformer på forskjellige punkter innenfor modulasjonssystemet som er vist i fig. 1. Fig. 3 er en skjematisk tegning over FSK demodulasj ons-systemet ifølge den foreliggende oppfinnelse. Fig. 4 illustrerer bølgeformer på forskjellige punkter innenfor demodulasjonssystemet i fig. 3.

Idet der nå vises til tegningene hvor illustrasjonen er i den hensikt å beskrive den foretrukne utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse og ikke er tilsiktet å begrense oppfinnelsen til denne, viser fig. 1 et koblingsskjerna over FSK modulasjonssystemet 10 ifølge den foreliggende oppfinnelse. Systemet 10 består av en sendende grensesnitt- anordning 12, en digitalt styrt oscillator 14, en krafttil-førsel 16, som driver en strømsløyfe 18, og en krets 20 som sammenkobler den digitalt styrte oscillatoren 14 og strøm-sløyfen 18.

Grensesnittanordningen 12 benevnes vanligvis som en RS-232 eller lignende og blir riktig referert til som et grense-snitt mellom dataterminalutstyr og datakommunikasjonsutstyr som anvender seriell, binær datautveksling. Grensesnittanordningen 12 genererer en tilførselsspenning Vsfor en av de to mulige signaltilstandene (pausefrekvens) og en 0 utgangsspenning for den andre signaltilstanden (tegnfrekvens). Utgangen på grensesnittutgangen 12 er koblet til en inngang på en eksklusiv-ELLER port 30 innenfor den digitalt styrte oscillatoren 14. En andre inngang på eksklusiv-ELLER porten er koblet ved punkt B til en side av en motstand 32 og til inngangen på en inverterer 34. Utgangen på ekslklusiv-ELLER porten 30 er koblet (ved punkt F) til en motstand 36 som er koblet til den andre siden av motstanden 32 ved punkt A. Utgangen på invertereren 34 er koblet ved punkt C til inngangen på en inverterer 38 og til én side på en motstand 40. Den andre siden av motstanden 40 er koblet til motstander 32 og 36 ved punkt A. En kondensator 42 er koblet fra punkt A til utgangen på invertereren 38 (punkt D). Utgangen på invertereren 38, som representerer utgangen fra den digitalt styrte oscillatoren 14, er koblet til inngangen på en inverterer 44 i kretsen 20. Utgangen på invertereren 44 er koblet til en seriekombinasjon av en motstand 46 og en kondensator 48 som er koblet (ved et punkt H) til en side av en transformator 50 som er jordet. Den andre siden av transformatoren 50 er koblet over strømsløyfen 18 via en motstand 52 og en kondensator 54. Strømsløyfen 18 innbefatter en motstand 56 og er koblet til utgangen på krafttilførselen 16 som typisk kan trekke et minimum lik 4 mA til et maksimum lik 20 mA.

Operativt vil utgangsspenningen fra grensesnittanordningen 12 styre frekvensen av den digitalt styrte oscillatoren 14. Idet der vises til fig. 2 er utmatningen fra grensesnittanordningen 12 vist som bølgeform F. De andre bølge-formene som er vist i fig. 2 representerer spenningene på forskjellige punkter innenfor modulasjonssystemet 10 og samsvarer med bokstavene som er vist på fig. 1. M.h.t. bølgeform F, resulterer nærværet av en tilførselsspenning Vspå utgangen av grensesnittanordningen 12 i at den digitalt styrte oscillatoren 14 frembringer en forut definert øvre signalfrekvens (pausefrekvens), mens null-spenning på utgangen av grensesnittanordningen 12 resulterer i at oscillatoren 14 frembringer en forutbestemt nedre signalfrekvens (tegnfrekvens). Når en tilførselsspenning Vseksisterer ved punkt F, virker eksklusiv-ELLER porten 30 som en inverterer for signalet ved punkt B. Nærværet av en spenning ved punkt B som vist i fig. 2 (del a), bevirker spenningene ved punktene E og C til å være null og spenningen ved punkt D til å være tilførselsspenningen Vs. Ettersom eksklusiv-ELLER port 30 og inverterer 34 har høye inngangs-impedanser, vil en ubetydelig strøm flyte gjennom motstand 32 og spenningene på punkter A og B er i alt vesentlig like tilførselsspenningen Vs. Når kondensator 42 begynner å lade fra punkt D gjennom motstandene 40 og 36 til hhv. punktene C og E, vil spenningen på punkt A starte med minskning fra tilførselsspenningen Vsmot null volt. Når punkter B og A når maksimum inngangsspenning for et logisk null utløsnings-punkt (trip point) (VIL) for eksklusiv-ELLER porten 30 og invertereren 34, vil disse anordninger svitsje til å bevirke spenningene på punktene C og E til å øke til tilførsels-spenningen Vssom, i sin tur, bevirker spenningen på punkter B, A og D til å bli null. Når punkt D blir null volt, starter kondensator 42 utladning gjennom motstandene 40 og 36, hvilket bevirker spenningen på punkt B til å starte økning fra null volt mot tilførselsspenningen Vs. Når punkt B når minimum inngangsspenning for logisk "en" utløsnings-punkt (VIH) av eksklusiv-ELLER-port 30 og inverterer 34, svitsjer disse anordninger til å bevirke spenningen på punkter C og E til å bli null og spenningen på punkter B, A og D til å bli tilførselsspenningen Vs. Ettersom punkter E og C er like bestandig, er ladnings og utladningstiden for kondensatorer 42 proporsjonal med parallellkombinasjonen av motstandene 40 og 36. Oscillasjoner fortsetter på takten for ladning og utladning av kondensatoren 42, som representerer den forutdefinerte øvre signalfrekvensen (pausefrekvens), Inntil inngangsspenningen på punkt F endrer seg.

Når utmatningen fra grensesnittanordningen 12 er null volt (figur 2, punkt d), virker så eksklusiv-ELLER-port 30 som en ikke-inverterende buffer for spenningen på punkt B, hvilket resulterer i at utmatningen på punkt E er lik innmatningen på punkt B. Denne tilstand bevirker punktene C og E til å være av motsatt potensial bestandig. Når dette skjer, vil ladnings- og utladningstiden for kondensatoren 42 være proporsjonal med forholdet mellom resistansen for motstanden 40 og summen av resistansen for motstandene 40 og 36. Dette resulterer i at kondensatoren 42 lades og utlades med én langsommere takt som, i sin tur bevirker oscillasjonen til å bli frembragt på en forutbestemt nedre frekvens (tegnfrekvens). Således frembringer den digitalt styrte oscillatoren 14 en utmatning (på punkt D) på en forutdefinert øvre signalfrekvens når inngangsspenningen på punkt F er lik tilførselsspenningen Vsog frembringer en forutdefinert, nedre signalfrekvens når innmatningen på punkt F er null volt.

Utmatningen fra den digitalt styrte oscillatoren 14 driver transformatoren 50 via invertereren 44, motstanden 46 og kondensatoren 48. Transformatoren 50 anvendes til å isolere oscillatoren 14 fra strømsløyfen 18. Signalet ved punkt H i figur 1 reflekteres til punkt I ved hjelp av transformatoren 50 og AC-kobles til strømsløyfen 18 gjennom motstand 52 og kondensator 54. Transformatoren 50 hindrer eventuell DC-strøm fra strømsløyfen fra å bli overført til den digitalt styrte oscillatoren 14, og omvendt. Dette tillater direkte koblet kommunikasjon på strømsløyfen 18 uten å forstyrre 4-20 mA DC strømmen som er tilstede på denne.

Fig. 3 viser et koblingsskjema over et FSK demodulasjonssystem 60. De komponenter som er tilsvarende komponentene som anvendes innenfor modulasjonssystemet 10 har samme hen-visningstall og vil ikke bli omtalt nærmere. Demodulasjonssystemet 60 innbefatter en demodulator 62, en krets 64 som sammenkobler demodulatoren 62 med strømsløyfen 18, en digitalt styrt oscillator 14 og en mottagende grensesnitt-anordning 66. Kretsen 64 sammenkobler strømsløyfen 18 med demodulatoren 62 ved hjelp av en transformator 68 som har en side koblet over strømsløyfen 18 via en motstand 70 og en kondensator 72. Den andre siden av transformatoren 68 er koblet til jord og til et bånd-passfilter 74 hvis utgang er koblet til en inngang på en eksklusiv-ELLER-port 76 innenfordemodulatoren 62. En andre inngang på eksklusiv-ELLER-porten 76 er koblet til utgangen på invertereren 38 innenfor den digitalt styrte oscillatoren 14. En utgang på eksklusiv-ELLER-porten 76 er koblet til en inngang på eksklusiv-ELLER-porten 30 innenfor oscillatoren 14 og til en motstand 78 som er koblet til en side av en motstand 80 og til jord via en kondensator 82. Den andre siden av motstanden 80 er koblet til en inngang på en eksklusiv-ELLER-port 84 og til utgangen på porten 84 via en motstand 86. En andre inngang på eksklusiv-ELLER-port 84 er koblet til jord. Utgangen fra eksklusiv-ELLER-porten 84 er koblet til den mottagende grensesnittanordningen 66, som kan være en RS-232, eller lignende.

Bølgeformene på valgte punkter på fig. 3 er vist i fig. 4 og svarer til bokstavene vist på fig. 3. Operativt blir et frekvensskift modulasjonssignal på strømsløyfen 18 overført gjennom kondensatoren 72, motstanden 70 og transformatoren 68 til båndpassfilteret 74. AC koblingen av transformatoren 68 hindrer enhver DC strøm fra strømsløyfen 18 fra å passere til demodulatoren 62. Båndpassfllteret 74 avviser et hvilket som helst signal utenfor (FSK) frekvensskiftnøklingsbåndet. Utmatningen fra filteret 74, vist i fig. 4 som bølgeform C, er en digital fremstilling av det filtrerte f rekvensskift-nøklingssignalet (FSK).

Systemet som består av den digitalt styrte oscillatoren 14 og eksklusiv-ELLER-porten 76 er i form av faselåst sløyfe. Signalene på punkter B og C i fig. 3 sammenlignes av eksklusiv-ELLER-porten 76 som frembringer en utmatning på punkt A i fig. 3 som overføres tilbake til den digitalt styrte oscillatoren 14 for å justere dens frekvens for derved å være den samme som inngangsfrekvensen på punkt C. For å oppnå det foregående, varierer arbeidssyklusen for den digitalt styrte oscillatoren 14 med inngangsfrekvensen. En lav inngangsfrekvens frembringer en oscillatorarbeidssyklus som er mindre enn 50$, mens en høy inngangsf rekvens frembringer en oscillatorarbeidssyklus som er større enn 50%.

Signalet ved punkt D er gjennomsnittet av signalet som frembringes ved punkt A filtrert av RC kretsen bestående av motstanden 78 og kondensatoren 82. Eksklusiv-ELLER-port 84 virker som en spenningskomparator, dvs. dersom spenningen på punkt D er over Vcc/2, vil så spenningen på punkt F gå høy (fig. 4-bølgeform F). Dersom spenningen på punkt D imidler-tid er mindre enn Vcc/2, går så spenningen på punkt F lav. I hovedsak er spenningen på punkt F den digitale representasjon av frekvensskiftnøklingssignalet (FSK) og kan overføres til hvilket som helst dataterminalutstyr (ikke vist) av grensesnittanordningen 66. Motstandene 86 og 80 introduserer en hysterese til eksklusiv-ELLER-port 84 for å redusere eventuell dirring når en nivåovergang opptrer.

Hovedfordelene ved modulasjonssystemet 10 og demodulasjonssystemet 60 er lave krav til effekt for disse systemer. Slike lave effektkrav kan tilskrives det reduserte antall av komponenter som kreves innenfor systemene, bruken av CMOS- brikker hvor det måtte passe og de lave enhetverdiene for de anvendte kondensatorer. Disse systemer er også frekvens-stabile under store variasjoner i krafttilførselsspenning p.g.a. at inngangsutløsningspunktene (VIH og VIL) for portene er proporsjonale med krafttilførselsspenningen. De foregående fordeler tillater pålitelig direktekoblet kommunikasjon mellom laveffektsanordningene som gjør bruk av den samme strømsløyfen som fører de 4 til 20 mA DC uten å påvirke DC strømverdien.

Claims (8)

1. Strømsløyfeanordning som har - en krafttilførsel (16) for å levere strøm på forskjellige strømnivåer mellom 4 mA og 20 mA, - en strømsløyfe (18) koblet til krafttilførselen (16) for å føre strømnivåene, - moduleringsmiddel (14) for å frembringe signaler som skal overlagres på strømnivået innenfor strømsløyfen, og - koblingsmiddel (20) for å koble moduleringsmidlet (14) til strømsløyfen (18), idet koblingsmidlet (20) tillater kommunikasjon av signaler frembragt av moduleringsmidlet (14) over til strømsløyfen (18),karakterisertved at nevnte moduleringsmiddel (14) modulerer frekvens-skiftnøklede pulser (FSK) for å frembringe signaler som har en første forutdefinert frekvens og en andre forutdefinert frekvens, og at moduleringsmidlet (14) omfatter en digitalt styrt oscillator (14) som frembringer nevnte signaler som har en første forutbestemt frekvens og en andre forutbestemt frekvens, idet den digitalt styrte oscillatoren (14) innbefatter kapasitansmiddel (42) som selektivt kan opplades og utlades ved en første takt og en andre takt som tilsvarer henholdsvis den første forutdefinerte frekvensen og den andre forutdefinerte frekvensen.

2. Anordning som angitt i krav 1,karakterisertved at koblingsmidlet (20) innbefatter transformatormiddel (50) som er koblet til moduleringsmidlet (14) og til strømsløyfen (18).

3. Anordning som angitt i krav 2,karakterisertved at transformatormidlet (50) tjener til å isolere moduleringsmidlet (14) fra strømsløyfen (18), hvorved tillates direktekoblet kommunikasjon av nevnte signaler som har nevnte første forutbestemte frekvens og nevnte andre forutbestemte frekvens over til strømsløyfen (18).

4 . Anordning som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedå innbefatte demoduleringsmiddel (62, 14) for å demodulere et signal som moduleres på strømsløyfen (18), idet demoduleringsmidlet (62, 14) er virksomt til å frembringe frekvensskiftnøklede pulser som er representative for nevnte modulerte signal.

5 . Strømsløyfeanordning som har - en krafttilførsel (16) for å levere en strøm på forskjellige strømnivåer mellom 4 mA og 20 mA, - en strømsløyfe (18) som er koblet til krafttilførselen (16) for å føre strømnivåene, idet nevnte strømnivåer er modulert av signaler som er overlagret på strømnivåene innenfor strømsløyfen, - demoduleringsmiddel (62, 14) for å demodulere nevnte strømnivå, og - koblingsmiddel (64) for å koble demoduleringsmidlet (62,14) til strømsløyfen (18);karakterisert vedat strømnivåene er modulert ved hjelp av frekvensskift-nøklede pulser (FSK), og at demoduleringsmidlet (62,14) omfatter digitalt styrt oscillatormiddel (14) som er virksomt til å frembringe signaler som har en første forutdefinert frekvens og som har en andre forutdefinert frekvens, idet den digitalt styrte oscillatoren (14) innbefatter kapasitansmiddel (42) som er selektivt oppladbart og utladbart ved en første takt og en andre takt som overensstemmer henholdsvis med den første forutdefinerte frekvensen og den andre forutdefinerte frekvensen.

6 . Anordning som angitt i krav 5,karakterisertved at demoduleringsmidlet (62, 14) innbefatter kompara tormiddel (76) som er koblet til det digitalt styrte oscillatormidlet (14) i et faselåst-sløyfearrangement.

7. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 5 og 6,karakterisert vedat koblingsmidlet (64) innbefatter transformatormiddel (68) som er koblet til demoduleringsmidlet (62, 14) og til strømsløyfen (18).

8. Anordning som angitt i krav 7,karakterisertved at koblingsmidlet (64) innbefatter filtermiddel (74) som er innskutt mellom demoduleringsmidlet (62, 14) og transformatormidlet (68).