Beschreibungdescription
Binäre Sendeanlage mit direkter Modulation des OszillatorsBinary transmitter with direct modulation of the oscillator
Die Erfindung betrifft eine binäre Sendeanlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruch 1.The invention relates to a binary transmitter system according to the preamble of claim 1.
Eine solche Sendeanlage besteht zumeist aus einer Oszillatorbaugruppe, die auf einer Frequenz Schwingungen ausführt und ein nichtmoduliertes Einträgersignal als Ausgangssignal' liefert. Eine zweite Baugruppe ist mit der ersten verbunden und moduliert das Einträgersignal gemäß den zu übertragenden Daten.Such a transmission system usually consists of an oscillator assembly embodying at a frequency vibrations and a non-modulated Einträgersignal as an output signal 'returns. A second module is connected to the first and modulates the carrier signal in accordance with the data to be transmitted.
Ein mögliches Ausführungsbeispiel ist ein Oszillatorbauelement, welches ein reines Sinussignal an die zweite Baugruppe liefert. Hierbei kann es sich um einen klassischen Quarzoszillator handeln. Die zweite anschließende Baugruppe verändert den Pegel des Sinussignals je nach vorliegendem binären Zustand zwischen dem minimalen und maximalen Ausgangspegel und erzeugt somit eine ASK-Modulation des Einträgersignals.One possible exemplary embodiment is an oscillator component which supplies a pure sine signal to the second module. This can be a classic quartz oscillator. The second subsequent module changes the level of the sine signal depending on the binary state between the minimum and maximum output level and thus generates an ASK modulation of the carrier signal.
Die bekannten Konzepte besitzen jedoch je nach Ausführungsform spezifische Nachteile, wie beispielsweise die mangelnde Eignung eines diskontinuierlichen Betriebs durch lange Einschwingzeit des Oszillators oder ein hoher Leistungsverbrauch unter anderem durch zusätzliche Baugruppen wie Anpassungsnetzwerke oder Schaltkreise zur Modulation des Oszillatorsignals . Bei vielen Konzepten verbrauchen auch die Verstärkungselemente des Oszillators einen großen Teil der Leistung, so daß bekannte Anordnungen bei einer sehr geringen zur Verfügung stehenden Energiemenge nicht geeignet sind.Depending on the embodiment, however, the known concepts have specific disadvantages, such as, for example, the unsuitability for discontinuous operation due to the long settling time of the oscillator or high power consumption, inter alia, due to additional modules such as matching networks or circuits for modulating the oscillator signal. In many concepts, the amplification elements of the oscillator also consume a large part of the power, so that known arrangements are not suitable given a very small amount of energy available.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Senden binärer Daten vorzusehen, die mit einem ge-
ringen Energiebedarf arbeitet und mit einfachen Mitteln herstellbar ist.It is therefore the object of the invention to provide an arrangement for transmitting binary data which wrestle energy needs works and can be produced with simple means.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Patentan- spruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .According to the invention, this object is achieved by the measures specified in patent claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die angegebene Lösung erlaubt es, mit möglichst geringem Energieaufwand einen HF-Oszillator zu betreiben, der direkt kleine Datenmengen durch einen diskontinuierlichen Betrieb übermittelt und somit vor allem für den mobilen Einsatz mit geringen zur Verfügung stehenden Energiemengen geeignet ist. Dazu wird eine Resonatoranordnung mit sehr kurzer Einschwingzeit derart mit einem Überschuß an Energie versorgt, daß sie auf einer Frequenz zu schwingen beginnt und das Signal als Trägersignal für zu sendende binäre Daten nutzbar ist.The specified solution allows an RF oscillator to be operated with as little energy expenditure as possible, which directly transmits small amounts of data through discontinuous operation and is therefore particularly suitable for mobile use with small amounts of available energy. For this purpose, a resonator arrangement with a very short settling time is supplied with an excess of energy in such a way that it starts to oscillate at a frequency and the signal can be used as a carrier signal for binary data to be transmitted.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich bei Verwendung eines SAW-Resonators als frequenzerzeugendes Element. Vorteilhaft ist dabei vor allem die Verwendung einer ASK- Modulation zur Übertragung der Daten.An advantageous embodiment results when using a SAW resonator as a frequency-generating element. The use of an ASK modulation to transmit the data is particularly advantageous.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail erläu- tert.The invention is explained in detail below with the aid of exemplary embodiments and with reference to the drawing.
Es zeigt :It shows :
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.Figure 1 shows an embodiment of the invention.
Figur 2 ein Ersatzschaltbild der Verstärkungsanordnung aus Figur 1FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of the amplification arrangement from FIG. 1
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel bestehend aus einer Verstärkungseinrichtung 1 und einem Rückkopplungsnetzwerk 2 dargestellt. Die Verstärkungseinrichtung 1 wird durch die Steuerspannung 3 mit Energie versorgt . Die Verstärkungseinrichtung 1 besteht aus zwei einzelnen Verstärkungsstufen 6
und 7, die als Bipolartransistoren in Emitterschaltung ausgebildet und über einen Koppelkondensator 8 miteinander verbunden sind. Während die Verstärkungsstufe 6 den Großteil der Gesamtverstärkung für das Rückkopplungsnetzwerk 2 übernimmt, stellt die Verstärkungsstufe 7 genügend Energie für einen Auskoppelpunkt 14 bereit .FIG. 1 shows an exemplary embodiment consisting of an amplification device 1 and a feedback network 2. The amplification device 1 is supplied with energy by the control voltage 3. The amplification device 1 consists of two individual amplification stages 6 and 7, which are designed as bipolar transistors in an emitter circuit and are connected to one another via a coupling capacitor 8. While the amplification stage 6 takes over the majority of the total amplification for the feedback network 2, the amplification stage 7 provides enough energy for a decoupling point 14.
Das Rückkopplungsnetzwerk 2 besteht aus einer Resonatoranordnung 4, der im dargestellten Ausführungsfall als Zwei-Tor SAW-Resonator ausgebildet ist. Eine solche Resonatoranordnung besitzt in normaler Einbauweise einen Phasensprung von typischerweise Pi bei seiner Resonanzfrequenz zwischen einem Eingangstor 11 und einem Ausgangstor 15. Um einen Phasensprung zu verhindern, ist im Ausführungsbeispiel das das Eingangstor darstellende Anschlußpaar 11 gegenüber dem zweiten Anschluß- paar 15 vertauscht angeschlossen. Desweiteren enthält dasThe feedback network 2 consists of a resonator arrangement 4, which in the illustrated embodiment is designed as a two-port SAW resonator. In normal installation, such a resonator arrangement has a phase jump of typically pi at its resonance frequency between an input port 11 and an output port 15. In order to prevent a phase jump, in the exemplary embodiment the connection pair 11 representing the input port is interchanged with the second connection pair 15. Furthermore, it contains
Rückkopplungsnetzwerk noch eine Anordnung zur Phasendrehung, das als Phasenschiebernetzwerk 12 bezeichnet ist. Das Netzwerk führt durch eine Phasenänderung um den Beitrag 0.4 x Pi eine Anpassung des komplexen Eingangswiderstands der Resona- toranordnung 4 auf den Ausgangswiderstand der Verstärkungs- einrichtung 7 durch, um eine Phasenänderung der Verstärkungs- einrichtung während des Einschaltvorgangs zu kompensieren.Feedback network another arrangement for phase rotation, which is referred to as phase shifter network 12. By means of a phase change by the contribution 0.4 x Pi, the network adapts the complex input resistance of the resonator arrangement 4 to the output resistance of the amplification device 7 in order to compensate for a phase change of the amplification device during the switch-on process.
Die Spannungsquelle 3 besitzt keine parallel geschaltete Ka- pazität, da als Modulationsgröße für die zu sendenden Daten nicht die Spannung, sondern nur der Strom, der durch beide Transistoren fließt, von Bedeutung ist. Die beiden Widerstände 9 und 10 lassen sich, wie im Ersatzschaltbild in Figur 2 gezeigt, durch spannungsgesteuerte Stromquellen ersetzen. Zu- sätzlich ergeben sich bei Ausbildung von Widerständen vorteilhaft steilere Signalflanken, was die kapazitive Belastung der Spannungsquelle 3 deutlich reduziert und schnelle Steuerflanken ermöglicht. Desweiteren fehlen RC-Kombinationen an den Emitterausgängen der Transistoren. Diese werden normaler- weise zur Arbeitspunktstabilisierung eingesetzt, erhöhen jedoch die Redaktionszeit der Transistoren aufgrund von Speichereffekten.
Zum EinschaltZeitpunkt erreicht die Verstärkung zwischen den Punkten 13 und 14 einen sehr hohen Wert von > 20 dB, was das schnelle Anschwingen des Resonators 4 ermöglicht. Im einge- schwungenen Zustand ist die Verstärkung in der Größe der Dämpfung des Rückkopplungsnetzwerks 2.The voltage source 3 has no capacitance connected in parallel, since it is not the voltage that is important as the modulation variable for the data to be sent, but only the current that flows through both transistors. As shown in the equivalent circuit in FIG. 2, the two resistors 9 and 10 can be replaced by voltage-controlled current sources. In addition, when resistors are formed, steeper signal edges advantageously result, which significantly reduces the capacitive load on voltage source 3 and enables fast control edges. Furthermore, there are no RC combinations at the emitter outputs of the transistors. These are normally used to stabilize the operating point, but increase the editorial time of the transistors due to memory effects. At the time of switch-on, the gain between points 13 and 14 reaches a very high value of> 20 dB, which enables the resonator 4 to start up quickly. In the steady state, the gain is in the size of the damping of the feedback network 2.
Durch die Rückkopplung beginnt der Resonator 4 innerhalb des Rückkopplungsnetzwerks 2 zu schwingen. Wegen der kurzen Ein- schwingzeit kann für eine binäre Datenübertragung direkt die SteuerSpannung 3 verwendet werden. Ein möglicher binärer Zustand wird durch komplettes Einschalten, der andere durch komplettes Ausschalten der gesamten Schaltungsanordnung realisiert. Es ist jedoch auch möglich, andere Modulationsver- fahren, beispielsweise FSK für die Übertragung binärer Daten heranzuziehen.As a result of the feedback, the resonator 4 begins to oscillate within the feedback network 2. Because of the short settling time, control voltage 3 can be used directly for binary data transmission. A possible binary state is realized by completely switching on, the other by completely switching off the entire circuit arrangement. However, it is also possible to use other modulation methods, for example FSK, for the transmission of binary data.
Der im Ausführungsbeispiel beschriebene SAW-Resonator 4 zeichnet sich vorteilhaft durch seine spektrale Reinheit aus, da er ausschließlich bei einer Frequenz Schwingungen ausführt und somit die zur Informationsübertragung zur Verfügung stehende Energie aufgrund seiner geringen Resonanzbandbreite optimal ausnutzt.The SAW resonator 4 described in the exemplary embodiment is advantageously distinguished by its spectral purity, since it only carries out vibrations at one frequency and thus optimally utilizes the energy available for information transmission due to its small resonance bandwidth.
Wegen seiner geringen Anstiegs- und Abfallszeiten von 1 μsek eignet sich der SAW-Resonator 4 besonders gut für die direkte ASK-Modulation. Dies wird vor allem durch die Eigenschaft der RF-Leistung eines Lastwiderstands 5 gezeigt. Der Lastwiderstand 5 besitzt in Abhängigkeit der SteuerSpannung 3 nur zwei Zustände. Die Ursache hierfür ist eine hohe Kreisverstärkung von ca. 14 dB in der gesamten Schaltungsanordnung zum Zeitpunkt des Einschwingens. Dadurch lassen sich durch Anlegen eines nicht periodischen Rechtecksignal an die Steuerspannung 3, die die binären Daten repräsentieren, das Gesamtsystem auf der durch den Resonator vorgegebenen Frequenz zur Schwingung anregen, welche einer ASK-Modulation äquivalent ist.
Eine weitere vorteilhafte Gestaltung ist durch den Einsatz eines SAW-Resonators gegeben, denn diese führen auch nach dem kompletten Abschalten wegen ihrer geringen Dämpfung für kurze Zeit RestSchwingungen aus. Bei geeigneter Wahl der Modulationsrate ist es möglich, den Oszillator nicht aus dem Rauschen anschwingen zu lassen, sondern bevorzugt in der Phase mit den Restschwingungen des letzten übertragenen Signals. Dadurch lassen sich die Einschwingzeiten weiter drastisch verkürzen und Datenraten von > 100 KHz realisieren.Because of its short rise and fall times of 1 μsec, the SAW resonator 4 is particularly well suited for direct ASK modulation. This is shown above all by the property of the RF power of a load resistor 5. Depending on the control voltage 3, the load resistor 5 has only two states. The reason for this is a high loop gain of approx. 14 dB in the entire circuit arrangement at the point of settling. As a result, by applying a non-periodic square-wave signal to the control voltage 3, which represent the binary data, the entire system can be excited to oscillate at the frequency predetermined by the resonator, which is equivalent to an ASK modulation. A further advantageous design is provided by the use of a SAW resonator, because these also cause residual vibrations for a short time after they have been completely switched off due to their low damping. With a suitable choice of the modulation rate, it is possible not to let the oscillator swing out of the noise, but preferably in phase with the residual vibrations of the last transmitted signal. This allows the settling times to be drastically reduced and data rates of> 100 KHz to be achieved.
Eine andere mögliche Ausgestaltung liegt in der Verwendung eines lambda/4-Resonators als Bauelement des Oszillators.
Another possible embodiment is the use of a lambda / 4 resonator as a component of the oscillator.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Verstärkerbaugruppe1 amplifier module
2 Rückkopplungsnetzwerk 3 Steuerspannungsquelle2 feedback network 3 control voltage source
4 Resonatorbaugruppe4 resonator assembly
5 Ausgangswiderstand5 output resistance
6 Verstärker6 amplifiers
7 Verstärker 8 Koppelkondensator7 amplifier 8 coupling capacitor
9 Widerstand9 resistance
10 Widerstand10 resistance
11 Eingangstor des Resonators11 entrance gate of the resonator
12 Phasenschiebernetzwerk 13 Anschlusspunkt12 phase shifter network 13 connection point
14 Anschlusspunkt14 connection point
15 Ausgangstor des Resonators
15 exit gate of the resonator