NO319042B1 - Datamottakelse for infrarode signaler - Google Patents

Description

Datamottakskrets for infrarødsignaler, omfattende flere inngangskretser, hver med

en fotodiode som infrarøddetektor, og en assosiert separat forsterker hvis signaler er tilført en summeringskrets for forhøyelse av nytteeffekt ved undertrykkelse av støysignaler.i Datasende- og datamottakskretser for infrarødsignaler, f.eks. for valg av program, lydstyrkeregulering osv. i fjernsynsapparater, er kjent. Også for veibomsystemer er det allerede foreslått en sender i infrarødområdet med halvleder-lyssendeelementer, som luminescensdioder eller laserdioder, istedenfor høyfrekvenssendere i desi- eller centimeterbølgelengdeområdet. Slike infrarød-dataoverføringssystemer kan drives med følgende modulasjonsformer:

AM amplitudemodulasjon

FM frekvensmodulasjon

PSK (Phase Shift Keying) faseskiftnøkling

ASK (Amplitude Shift Keying) amplitudeskiftnøkling

ASK-OOSK (ASK-On Off Shift Keying) ASK-på/av-skiftnøkling

PDM (Pulse Duration Modulation) pulsbreddemodulasjon

PPM (Pulse Phase Modulation) pulsfasemodulasjon

I datamottakskretsen blir det som infrarøddetektorer anvendt germanium- eller silisiumfotodioder, hvorved den resulterende "fotostrøm" blir forsterket og utnyttet. Dersom slike datamottakskretser blir anvendt i omgivelser med lite bakgrunnslys, f.eks. inne i en bygning, i skygge eller om natten, er det tilstrekkelig med en enkel forsterker og kompensasjonskretser for undertrykkelse av bakgrunnslysstrømmen. Ved økende bakgrunnslysstrøm, spesielt ved drift av mottakeren i direkte sollys,

blir disse tidligere kretsteknikkene imidlertid problematiske, og til sist ubrukelige,

da den høye bakgrunnslysstrømmen medfører blant annet en høy strømstøy, som nyttesignalstrømmen, som vanligvis ligger i nA-området, drukner i.

I GB 2 156 177 A er det vist en infrarødforsterker som i likhet med den innledende del av patentkrav 1 omfatter flere inngangskretser, hver med en fotodiode som

infrarøddetektor, og en assosiert separat forsterker hvis signaler er tilført en summeringskrets for forhøyelse av nytteeffekt ved undertrykkelse av støysignaler. Forsterkerne er homogene parti al forsterkere, hvis utganger er sammenført til et summeringspunkt.

Fra AT 376 083 B er det kjent en krets for undertrykkelse av elektromagnetiske forstyrrelser i infrarødmottaksinnretninger. Derved er det hver gang tilveiebrakt to grupper av parallellkoblede fotodioder, hvorved den ene dioden er forbundet med en positiv forsyningsspenning gjennom en formotstand-Rl, og den andre dioden er forbundet til jord gjennom |en formotstand. Fra den ene gruppen av fotodioder blir det tilført nyttésignaler med negativ polaritet gjennom en kondensator til inngangen på differensialforsterkeren, mens nyttésignaler med positiv polaritet blir forbundet til den andre inngangen av differensialforsterkeren. På denne måten skal nyttesignalene opptre summert på utgangen av differensialforsterkeren, mens en støystråling, som f.eks. kommer fra radiosendere, blir undertrykket. I en modifikasjon er ytterligere operasjonsforsterkere anordnet mellom kondensatorene

og inngangene for differensialforsterkeren DV, hvorved disse

operasjonsforsterkerne muliggjør en raskere signalbehandling, som såkalte transimpedansforsterkere.

Også ved kretsen for mottak av infrarødsignaler vist i US 5 355 242 A er det tilveiebrakt to grupper av parallellkoblede fotodioder, se fig. 1, hvis nyttésignaler er ledet gjennom transformatorer og kondensatorer til transimpedansforsterkere. Sekundærviklingene for transformatorene er motsatt viklet, for å oppnå nyttésignaler med positiv og negativ polaritet, som - i likhet med i AT 376.083 B - blir tilført gj-ennom transimpedansforsterkere etter først å passere et båndpassfilter. Utgangene for differensialforsterkerne er forbundet gjennom et lavpassfilter til inngangen på en ytterligere differensialforsterker, til hvis utgang det er tilsluttet en portkrets som virker som støysperre. Summeringen av nyttésignaler finner således sted i denne kretsen ved forbindelsespunktet mellom de parallellkoblede fotodiodene og primærviklingen for de aktuelle transformatorene.

En ulempe ved de kjente kretsene er at når flere infrarøddetektorer (fotodioder) blir koblet parallelt med hverandre for å øke nytteeffekten, øker også parallellkapasitansen for diodene, hvorigjennom også koblingsstigetidene og koblingsfalltidehe økes.

Hensikten med oppfinnelsen er å fremskaffe en datamottakskrets av den

innledningsvis nevnte typen, hvor det på den ene siden er oppnådd korte koblingsstigetider og koblingsfalltider, og hvor på den andre siden data-nyttesignal/støy-avstanden er stor, tross en høy strømstøy fremkalt av et høyt bakgrunnslys.

Denne hensikten blir i samsvar med oppfinnelsen oppnådd ved hjelp av en datamottakskrets av den innledningsvis nevnte typen, ved at de separate forsterkere er transistorforsterkere, hvorved transistorforsterkerne foreligger i emitterkobling, med respektive fotodioder parallellkoblet med emittermotstander, og hvorved deres kollektorer er forbundet gjennom koblingskondensatorer for dannelse et felles forbindelsespunkt, for derved å danne summeringskretsen.

Herved arbeider forsterkeren signalsynkront, men oppviser spontane støyfaser, som delvis adderes i summeringskretsen etter sannsynlighetsprinsippet og delvis oppheves. Derimot blir nyttesignalet addert lineært med lik fase i summeringskretsen. Til isammen stiger derved signaWstøyforholdet stadig med antallet av anvendte forsterkere.

Transistorene kan være enkle bipolartransistorer.

Ved hjelp av en fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen er det tilveiebrakt at utgangen for summeringskretsen er forbundet med en inngang til en komparator, hvis andre inngang er forbundet med utgangen for en terskelverdigenerator, hvis inngang er tilsluttet utgangen for summeringskretsen. På denne måten blir funksjonen for en AGC- (Automatic Gain Control)-forsterkerkrets simulert, idet effektsvake nyttésignaler blir undertrykket, dersom flere sendere er tilstede, som ved et bomsted i et veibomsystem, at det mottas bare den mest effektsterke senderen. Dette er av særlig betydning ved bomsystemer med flere kjørefelter og tilsvarende sendere, med henblikk på en "feltselektivitet".

I denne sammenhengen er det også gunstig dersom det er tilveiebrakt en hovedforsterker mellom utgangen for summeringskretsen og den ene inngangen til komparatorené, såvel som inngangen for terskelverdigeneratoren. På denne måten kan det dynamiske området for viderebehandling av nyttesignalet økes.

For automatisk innstilling av terskelverdi er det videre særlig fordelaktig at terskelverdigeneratoren ved hjelp av likeretting og glatting av utgangssignalet for summeringskretsen, henholdsvis eventuelt hovedforsterkeren, danner en sum av spissverdien og middelverdien av disse signalene i et forhåndsbestemt forhold, f.eks. 1:2, hvilken sum blir avgitt som terskelverdisignal på utgangen av terskelverdigeneratoren.

En særlig foretrukket, utførelsesform av inngangskretsen som er enkel i oppbygging, oppnås dersom infrarøddetektoren er fotodioder som er koblet parallelt med emittermotstander for transistorene. Fordelaktig er kondensatorene for summeringskretsene tilsluttet til kollektormotstandene for transistorene.

For dannelse av terskelverdien har det endelig vist seg som gunstig med henblikk på en kort responstid og en enkel realisering, dersom inngangen til terskelverdigeneratoren er forbundet over en diode og en motstand liggende i serie med jord, at forbindelsespunktet mellom dioden og motstanden er tilsluttet basis for en transistor, til hvilken det er tilsluttet en kondensator for lagring av spissverdien for det tilførte utgangssignalet fra summeringskretsen, henholdsvis eventuelt hovedforsterkeren, og at en ytterligere kondensator er tilsluttet til dioden, henholdsvis til kondensatoren, for oppnåelse.av de aktuelle terskelverdier over en spenningsdelerkobling.

Oppfinnelsen blir i det følgende videre forklart ved hjelp av foretrukkede utførelseseksempler fremstilt i tegningene, som den imidlertid, ikke skal innskrenkes til. Der viser:

-I I

fig. 1 en koblingskrets for en tidligere kjent datamottakskrets;

fig. 2 et diagram for anskueliggjørelse av nyttesignal-/støyforhoIdet for kretsen ifølge fig. 1;

4

fig. 3 et blokkskjema over en datamottakskrets i samsvar med oppfinnelsen;

fig. 4 et diagram for forklaring av funksjonen for en del av datamottakskretsen ifølge fig. 3; og

fig. 5 et kretsskjema for en del av en i hvert fall for tiden særlig foretrukket utførelsesform av datamottakskretsen i samsvar med oppfinnelsen.

Den tidligere kjente datamottakskretsen for infrarødsignaler fremstilt i fig. 1 består av en infrarøddetektor, f.eks. i form av en eller flere parallellkoblede infrarød-fotodioder 1, som er tilsluttet til en inngang for en operasjonsforsterker 3 tilbakekoblet gjennom en motstand 2. Signalspenningen Us som opptrer på utgangen 4 av operasjonsforsterkeren 3 er fremstilt som funksjon av tiden t i fig. 2. Det er innlysende at nyttesignalet Un mottatt fra fotodioden 1 knapt hever seg over støyspenningen Ur, som - som nevnt innledningsvis - hovedsakelig er forårsaket av bakgrunnslysstrøm. Heller ikke parallellkobling av ytterligere fotodioder 1, som antydet i fig. I, tilveiebringer noen forbedring i sighal/støyforholdet, derimot en forverring av koblingstidene som følge av økt kapasitans.

Oppfinnelsen anviser nå å tilveiebringe flere inngangskretser og derved flere infrarød-fotodioder 5a, 5b til 5n på en bestemt måte, nemlig hver gang med en separat forsterker 6a, 6b til 6n, hvorved utgangene fra forsterkerne 6a, 6b til 6n blir tilført en summeringskrets 7, som fremstilt i blokkskjemaet i fig. 3. Sumsignalet på utgangen av summeringskretsen 7 blir tilført til en hovedforsterker 9, til hvilken utgang 10 det er tilsluttet en inngang. 11 for en terskelverdigenerator 12 såvel som en inngang 13 for en komparator 14. Den andre inngangen 15 for komparatoren 14 er forbundet med utgangen 16 for terskelverdigeneratoren 12.

Signalet Us som avgis fra hovedforsterkeren 9 er fremstilt som funksjon av tiden t i fig. 4. Støyspenningen Ur er f.eks. et sterkt datasignal USi overlagret et svakt datasignal Us2- Det sterke datasignalet Usi kommer f.eks. fra en første infrarødsender rettet direkte på fotodiodene 5a, 5b til 5n, mens det svakere datasignalet Us2 stammer fra en annen, andre infrarødsender, f.eks. anordnet ved siden av den første infrarødsenderen, og oppviser derfor en liten amplitude. Terskelverdigeneratoren 12 fastsetter en terskelverdispenning USCh, bare i avhengighet av spissverdien Usp for det (sterkeste) datasignalet Usi og fra middelverdien Umw av det samlede signalet Us, som blir sammenlignet med nyttesignalet Us i komparatoren 14, slik at det på utgangen 17 av komparatoren 14 ved tidspunkt for over- henholdjsvis underskridelse av terskelverdispenningen UsCh gjennom signalet Us bare opptrer regenererte impulser Uk tilsvarende signalet Usi, som blir tilført en etterfølgende databehandlingsenhet (ikke vist) med tanke på videre behandling.

På denne måten følger en selektiv signalutnyttelse, idet signal-/støyavstanden ved tilstedeværelse av et datasignal forhøyes, og svakere datasignaler fra andre sendere undertrykkes. Spesielt blir terskelverdispenningen Usch fastsatt utfra spissverdien Usp og middelverdien Umw omtrent i forholdet 1:2. Arbeidsmåten for terskelverdi-generatoren er funksjonelt sammenlignbar med arbeidsmåten for en AGC-(Automatic Gain Control)-forsterker.

I det følgende blir en praktisk utførelsesform for den foreliggende datamottakskretsen (uten komparator 14) i henhold til fig. 5 beskrevet.

Infrarød-fotodiodene 5a, 5b til 5n ligger i overensstemmelse med fig. 5 hver gang parallelt med en emittermotstand 18a, 18b til 18n for npn-transistorer 19a, 19b til 19n, hvilke danner forsterkerne 6a, 6b til 6n omtalt ovenfor ved hjelp av fig. 3. En basis-spenningsdeler som er felles for alle transistorene 18a, 18b til 18n blir dannet ved hjelp av motstander 20, 21, hvorved motstanden 20 er forbundet med en positiv forsyningsspenning Uy, og motstanden 21 er forbundet med jord. Forbindelsespunktet for begge motstandene 20, 21 er forbundet med basiselektroden for transistorene 19a, 19b til 19n. En bufferkondensator 22 ligger mellom jord og forsyningsspenningen Uy. En glattekondensator 23 ligger parallelt med motstanden 21.

Kollektorene for transistorene 19a, 19b til 19n er hver gang forbundet over en kollektormotstand 24a, 24b til 24n med forsyningsspenningen Uv. Fra hver av kollektorene til transistorene 19a, 19b til 19n fører hver gang en koblingskondensator 25a, 25b til 25n til et felles forbindelsespunkt 26, for således å danne signalene som er levert av den ovennevnte summeringskrets 7 i fig. 3 for fotodiodene 5a, 5b til 5n og som er forforstérket av transistorene 19a, 19b til 19n, og for stokastisk å overlagre deres støyandeler ved forbindelsespunktet 27, dvs. delvis addere og delvis oppheve dem, mens nyttesignalet blir addert lineært og med lik fasestilling, slik at signal-/støyforholdet økes med antallet n av fotodioder 5.

Hovedforsterkeren 9 består f.eks. av to operasjonsforsterkere 27, 28 koblet etter hverandre, hvorved den inverterende inngang (-) for én forsterker 27 er forbundet med forbindelsespunktet 26 for koblingskondensatorene 25a, 25b til 25n. Utgangen fra forsterkeren 27 er tilsluttet til den inverterende inngang (-) for den andre forsterkeren 28 gjennom en koblingskondensator 29, og utgangen for forsterkeren 28 danner utgangen 10 for hovedforsterkeren 9. Forsterkerne 27, 28 er tilbakekoblet over motstander 30, 31, hvorved en kondensator 32 er parallellkoblet med motstanden 30 for den ene forsterkeren 27. De ikke-inverterende innganger (+) for begge forsterkerne 27, 28 er forbundet med basis for transistoren 19a. Ved hjelp av tilsvarende dimensjonering av motstandene 30, 31 og kondensatorene 29, 32, kan

den nedre grensefrekvensen. for hovedforsterkeren tilpasses selektivt til frekvensen fo for nyttesignalet Un-

I fig. 5 er de elektroniske komponentene som danner hovedforsterkeren 9, henholdsvis terskelverdigeneratoren 12, hveT gang omgitt av stiplet linje.

Fra inngangen 11 for terskelverdigeneratoren 12 fører en seriekobling av en diode 35 og en motstand 36 til jord. Forbindelsespunktet 37 mellom katoden for dioden og motstanden 36 er tilsluttet til basis for en pnp-transistor 38, hvis emittermotstand 39 er forbundet med den positive forsyningsspenningen Uv, og hvis kollektormotstand 40 er forbundet med jord. Mellom inngangen 11 for terskelverdigeneratoren 12 og kollektor for pnp-transistoren 38 ligger en spenningsdeler, som er dannet av to motstander 44 og 45, hvorved en kondensator 47 er koblet mot jord fra forbindelsespunktet 46 for begge motstandene 44, 45. En ytterligere kondensator 48 er forbundet fra kollektor fra transistoren 38 rriot jord. Forbindelsespunktet 46 for motstandene 44,45 danner utgangen' 16 for terskelverdigeneratoren, som fører den oppnådde variable terskelverdien UsCh, hver gang tilpasset til. styrken av (det sterkeste) nyttesignalet Us ved punkt 10, henholdsvis 11.

Av de ovenfor nevnte modulasjonsformene blir fortrinnsvis gjort bruk .av ASK-OOSK-modulasjon, dvs. fra en infrarødsender (ikke vist) blir det på i og for seg kjent måte utsendt serier av infrarødimpulspakker, som omformes til elektriske impulser av fotodioder 5a, 5b til 5n og opptrer på utgangen 10(11) som signalet Us-Transistoren 38 fører i hviletilstand, dvs. når ingen impulser opptrer, en liten kollektorhvi les trøm, som fører til opplading av kondensatoren 47 til en spenning på omlag halvparten av forsyningsspenningen Uv- Arbeidspunktet for transistoren 38 er innstilt slik at kondensatoren 48 likeledes opplades til en verdi på omlag halvparten av forsyningsspenningen Uy-

Ved opptreden av impulser blir transistoren 38 ved hver impuls fullstendig sperret under varigheten av impulsen, dvs. kondensatorene 47 og 48 blir under disse . tidsrommene utladet, og i løpet av impulspausene oppladet igjen. Gjennom valg av verdier for motstandene 36, 44 og 45 og kondensatorene 47, 48, kan det i avhengighet av impulsvarighet og -pause fastlegges de tilsvarende tidskonstanter for lading og utlading av kondensatorene 47, 48 henholdsvis spenningene som tilsvarer spissverdien Usp henholdsvis middelverdien Umw for datasignalet Us, for derav å fastsette terskelverdispenningen UsCh i ønskede forhold som anført ovenfor.

Spenningen som opptrer på dioden 35 etter flere impulser, f.eks. etter tre impulser, er proporsjonal med likerettings-, henholdsvis middelverdien Umw av datasignalet Us, mens spenningen som opptrer på kondensatoren 48 er proporsjonal med spissverdien Usp for datasignalet Us. Begge spennings verdi er blir hver gang integrert over motstandene 44 og 45, i den felles kondensatoren 47, og dét i forhold til verdiene av motstandene 44 og 45. For å oppnå det ønskede forholdet av f.eks. 1:2 for spissverdien Usp og middelverdien Umw , blir verdien for motstanden 44 valgt dobbelt så stor som verdien for motstanden 45. Selvsagt kan også andre forhold oppnås ved tilsvarende dimensjonering av motstandene 44, 45, hvorved også et potensiometer kan anvendes i stedet for begge motstandene 44, 45 for valgfri kontinuerlig innstilling av terskelverdispenningen Useh i relasjon til spissverdien UsP •

Claims (6)

1. Datamottakskrets for infrarødsignaler, omfattende flere inngangskretser, hver med en fotodiode som infrarøddetektor (5 a, 5b til 5n), og en assosiert separat •forsterker hvis signaler er tilført en summeringskrets (7) for forhøyelse av nytteeffekt ved undertrykkelse av støysignaler, karakterisert ved at de separate forsterkere er transistorforsterkere (19a, 19b til 19n), hvorved transistorforsterkeme (19a, 19b til 19n) foreligger i emitterkobling, med respektive fotodioder parallellkoblet med emittermotstander (18a, 18b til 18n), og hvorved deres kollektorer er forbundet gjennom koblingskondensatorer (25a, 25b til 25n) for dannelse et felles, forbindelsespunkt (26), for derved å danne summeringskretsen.

2. Datamottakskrets i samsvar med krav 1, karakterisert ved at utgangen (8) for summeringskretsen (7) er forbundet med en inngang (13) for en komparator (14), hvis andre inngang (15) er forbundet med utgangen (16) fra en terskelverdigenerator (12), hvis inngang (11) er tilsluttet utgangen (8) for summeringskretsen (7).

3. Datamottakskrets i samsvar med krav2, karakterisert ved at en hovedforsterker (9) er anbrakt mellom utgangen (8) for summeringskretsen (7) og den ene inngangen (13) for komparatoren (14) såvel som inngangen (11) for terskelverdigeneratoren (12).

4. Datamottakskrets i samsvar med krav 2 eller 3, karakterisert ved at terskelverdigeneratoren (12) ved likeretting og glatting av utgangssignalet (Us) fra summeringskretsen (7), henholdsvis eventuelt hovedforsterkeren (9), danner en sum av spissverdien (Usp) og middelverdien (Umw) for dette signalet (Us) i et forhåndsbestemt forhold, hvilken sum avgis som terskelverdisignal (Ugch) på utgangen (11) av terskelverdigeneratoren (12).

5. Datamottakskrets i samsvar med ett av kravene 1-4, karakterisert ved at kondensatorene (25a, 25b til 25n) for summeringskretsen (7) er tilsluttet kollektormotstander (24a, 24b til 24n) for transistorene (19a, 19b til 19n).

6. Datamottakskrets i samsvar med krav 4 eller 5, karakterisert ved at inngangen (11) for terskelverdigeneratoren (12) er forbundet til jord gjennom en diode (35) og en motstand (36) liggende i serie, at forbindelsespunktet (37) mellom dioden (35) og motstanden (36) er tilsluttet til basis for en transistor (J38), hvortil det er tilsluttet en kondensator (48) som lagrer spissverdien (Usp) for det tilførte utgangssignalet fra summeringskretsen (7), henholdsvis eventuelt hovedforsterkeren (9), og at en ytterligere kondensator (47) er tilsluttet til dioden (35), henholdsvis til kondensatoren (48)for oppnåelse av den aktuelle terskelverdi (USeh) over. en spenningsdelerkobling (44, 45).