用於通過解調從載波信號恢復所需信號的電子電路和方法以及數據機的製作方法

2023-05-11 15:58:16 1

專利名稱：用於通過解調從載波信號恢復所需信號的電子電路和方法以及數據機的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過解調從載波信號恢復所需信號的電子電路和方法，以及數據機。
背景技術：
要被傳輸的所需信號(「信息」)需要被轉換成適合於傳輸的格式。為此，通過所需信號改變所謂的載波信號。這種處理被稱為調製。相反的處理，即從載波信號中濾出所需信號被稱為解調。解調以及調製的系統被稱為數據機。當採用雙電平方波信號時，在最簡單的情況下，能實現數位訊號的二進位傳輸。在這種情況下，能夠在兩種幅值、頻率或相位之間切換。本發明涉及調幅應用。在數位訊號的傳輸中，涉及鍵控而不是調製，並且在本發明的意義上涉及振幅鍵控(ASK)。例如申請人所有的以商品名「Memosens」提供的電感稱合式插頭插座連接件適用於這種數據傳輸。如果電信號在沒有電接觸的情況下傳輸，則實踐中採用電感耦合式插頭插座連接件。通過這種電絕緣的優勢在於防腐蝕、電勢絕緣、防止插頭機械磨損等等。電感接口通常實現為具有兩個電磁線圈的系統，它們例如彼此插入設置。通常，傳輸數據和電能。根據現有技術，藉助ASK發送的數據在解調過程中例如通過通常具有滯後的包絡整流器及其比較器來提取。在圖1中，比較器的上限信號閾值被指定為A.1，且比較器的下限信號閾值被指定為A.2。A.1以上被檢測為邏輯「高」或「1」，並且A.2以下被檢測為邏輯「低」或「O」。如上所述，在理想情況下，傳輸以方波信號調製的形式發生，如圖1a中的附圖標記B所示。用於產生信號調製的簡單且可信的方法是切換裝置的應用。特別是在採用高轉換速率的切換裝置時，高頻信號分量可藉助電路部件並通過各個電平變化而產生，其中電路部件用在產生信號調製的兩個電磁線圈處。特別重要的是處於兩個電磁線圈中一個的特徵諧振頻率附近範圍內的信號分量，其例如由線圈之間的寄生電容層引起。這些噪聲信號具有過阻尼振蕩的形式，如圖1a中在下降沿由附圖標記C.1所示以及在上升沿由附圖標記C.2所示。對於這些過阻尼振蕩，包絡能夠被定義為具有使噪聲信號衰減的特性。這些高頻噪聲分量可能會干擾所需信號，由此使成功傳輸失真並阻止成功傳輸。上述問題通過所需精確的信號序列(D.1)以及不精確的檢測信號序列(D.2)在圖1中示出:對於電平變化「高-低」來說，比較器最初並精確地檢測到「O」。但是，經過一定時間，所需信號的噪聲分量會振蕩越過比較器的上限信號閾值A.1，隨後比較器會在此期間不準確地記錄「1」，並且因此不準確地傳輸所需信號。類似情況也在「低-高」電平變化時發生。此外，就噪聲信號分量的頻率來說，其可能處於用於調幅的頻帶範圍內。

發明內容
因此，本發明的目的在於提供能保證精確解調/調製的電子電路、方法和數據機。上述目的通過電子電路實現，其中要被解調的載波信號以及所需信號被從信號埠輸入，該電子電路包括:整流器，其僅能通過一種極性的載波信號，整流器之後的至少一個濾波器，用以抑制載波信號的至少一個頻率範圍，濾波器之後的電壓匹配網絡，實現其以使得其匹配所需信號的電壓、並引導至比較器的兩個輸入中的一個，其中取決於兩個輸入之間的差，切換比較器的輸入，以及與比較器並聯的反饋網絡，其中反饋網絡將比較器的兩個輸入中的一個與比較器的輸出連接，並且其中反饋網絡包括高通特性。所需信號被用於通過振幅鍵控(ASK)調製載波信號並且隨後傳送至信號輸入埠。接著，通過整流器對載波信號進行整流，即，僅通過一種極性。此後，利用隨後的濾波器抑制載波信號的至少一個頻率範圍，同時保持所需信號的包絡完整。隨後通過電壓匹配網絡匹配該信號，由此可將其引至比較器的一個輸入。具有高通特性的反饋網絡被與比較器並聯。在圖1b中，示意性示出了具有高通特性的反饋網絡的信號的進程。這被認為是優選的。對於濾波器和具有高通特性的反饋網絡之間的相互作用來說，能抑制高頻噪聲分量。因此，反饋網絡與通過比較器以及連接至整流器的濾波器引入的非線性組合而起到非-非線性濾波器的功能，其與線性濾波器相比，在記錄電平變化之後能更有效抑制整流器上的預期高頻噪聲信號。如果反饋網絡的高通特性與期望噪聲頻率相匹配，即高通的截止頻率低於有問題的噪聲頻率，則這種抑制特別有效。在優選實施例中，反饋網絡被實現為正反饋網絡。由此兩個輸入之間的較小差異能夠被放大並且所需信號能夠被最優地重建。具有高通特性的反饋網絡的正反饋的功能也可被如下理解，S卩比較器滯後地操作，其不再是在時間上恆定，而是具有時間上的進程，其以較大滯後對噪聲信號進行補償，最終具有期望的電平變化。在圖1b中，具有高通特性的反饋網絡的波形必須被分別加至閾值A.1和A.2。理想地，反饋網絡的高通特性以噪聲信號的包絡的實際衰變速度下降。由此，對於預期噪聲信號振蕩的持續時間來說，用於電平變化的比較器的所需滯後增至噪聲信號的期望的包絡的幅值。對於此優選的是具有高通特性的反饋網絡的脈衝響應被使得適於預期噪聲信號的信號形式以及信號幅值。傳輸的所需信號的噪聲通過反饋高頻而衰減。因此，噪聲被從所需信號中移除並確保無誤差的傳輸。具有反饋網絡的比較器的特徵在於特別地實現的施密特觸發器。有優選的實施例中提供輸入耦合網絡，其位於比較器之前並且被實現以使得其輸入控制信號。因此可能在規定的初始狀態下偏置電路。例如，如果輸入了規定的「低-高」沿，則比較器能夠可靠地升至閾值以上並在輸出時初始化為狀態「高」。因此能夠確保信號傳輸正確開始並滿足成功數據傳輸的要求。可能在每次傳輸開始時進行上述初始化。還可能在每次傳輸結束時進行上述初始化。在優選實施例中，輸入耦合網絡與數字控制信號電容耦合。因此，部件的某些數字輸出能夠被用於在初始狀態偏置電子電路。優選地，整流器是半波整流器，特別是二極體。在優選的實施例中，濾波器是低通、高通和/或帶通的。通過採用低通濾波器，高頻載波信號能夠被濾除。通過高通濾波的實施，可能確保將低頻信號噪聲分量與在電子電路的信號輸入處檢測的通信信號隔離。這些低頻噪聲信號，連同其他的方式，可能會在連接的消耗裝置負載暫時包括增加的電流需求量時出現，這會導致信號輸入上的增大的負載以及在該處發生電壓中斷。在優選的實施例中，濾波器包括專用無源元件。由此僅需要較小的面積，並且對電流和電能的需求更低，並且因此產生的成本較小。上述目的進一步通過如下方法實現，該方法包括以下步驟:初始化，整流載波信號，濾波載波信號，匹配所需信號的電壓，
`
將所需信號與比較信號相比較，以高通特性反饋所需信號，以及輸出所需信號。這是優選的。通過初始化，實現了成功傳輸的前提。在載波信號的整流和濾波之後，隨後將包絡的所需信號與比較信號匹配並比較。隨後，利用高通特性反饋所需信號。在最後的步驟中，輸出所需信號。例如，比較信號能夠包括反饋信號或通過恆定電壓來實現。上述目標進一步通過數據機來實現，該數據機包括電子電路，還包括第二電子電路，其中調製的載波信號被引至信號輸入，包括:負載網絡，以及用於將負載網絡連接至信號輸入的電路切換網絡。上述裝置是優選的。通過電路切換網絡，負載網絡被連接至信號輸入。因此能夠實現電路切換網絡以及負載網絡分別以所需信號調製載波信號，且由此能在相反方向上通 目。優選地，電路切換網絡包括至少一個電路電晶體。


將基於下述圖解詳細說明本發明。其中:圖1a帶有比較器的閾值的、理想和實際所需信號軌跡的實時進程的示意圖，圖1b具有高通特性的反饋網絡的信號的實時進程的示意圖，
圖2本發明電子電路的示意圖，圖3本發明電子電路的第一實施例，圖4本發明電子電路的第二實施例，圖5包括圖3的電子電路和調製器的本發明的數據機，以及圖6調製器和載波信號的同步的可能性。對於附圖來說，相同的附圖標記用於表示相同特徵。
具體實施例方式電子電路整體以其整體用附圖標記I表示。本發明的操作模式將基於圖2進行示意性說明。沿著信號的走向，電子電路I包括以下部件:對其提供具有所需信號的ASK調製的載波信號的信號輸入2 ;整流器3 ;濾波器4 ；電壓匹配網絡5 ;輸入耦合網絡6 ;在其輸出
9.3輸出解調信號的比較器9 ;以及反饋網絡7，其連接輸出9.3與比較器的輸入9.1、9.2中的一個。電感耦合接口可能操作為信號輸入2，即信號入口 2由電磁線圈表示。利用所需信號調製的載波信號，如本發明涉及的ASK信號，被提供至信號輸入2。圖3和圖4中示出圖2的示意性概圖的可能的實現方式的實例。隨後，將載波信號引至整流器3。整流器3包括二極體3.1。二極體3.1僅通過高頻輸入信號的一種極性，因此僅保留一半(半波)的高頻振蕩。根據二極體3.1的方向，剩餘部分是負(圖3)或正(圖4)半邊。其後是濾波器4。在實例中，它們是低通和高通的。低通用於切斷高頻載波信號。大部分低通通過電容4.1和並聯的電阻4.2實現，其中電容4.1和電阻4.2接地。整流器3和低通濾波器一起還可被稱為包絡檢波器。高通用於可靠地隔離低頻信號噪聲分量。這些低頻噪聲信號(連同其他方式)可能在連接至負載的輸出8暫時包括增加的電流需求量時出現，這會導致信號輸入2上具有增大的負載且中斷提供至該處的電壓。高通包括電容4.3和電阻4.4的串聯電路。對於濾波器4的頻率特性，優選的是，相比於更靠近信號通路中比較器9的那些濾波器部件(電容4.4，電阻4.4,4.5)，以較小阻抗補充信號通路中更靠近整流器3的濾波器部件(電容4.1和電阻4.2)的阻抗。濾波器4還包括無源元件。這在空間需求和電流需求量方面以及還在成本方面是優選的。而且，藉助無源濾波器，能夠保證高線性度。不言而喻，也可採用具有一個以上的運算放大器的有源濾波器。而且，濾波器4除所示一階之外還可以是高階的。以此能夠實現更高的轉換速率。串聯電容4.3還用於所需信號的DC去耦。電壓匹配網絡5包括兩個分壓器,每一個都分別由電阻5.1、5.2以及5.3、5.4構成，他們都連接在接地(Gnd)和電源電壓(Vcc)之間。通常，電容與分壓器(未示出)並聯使用。電阻5.1,5.2的連接節點位於信號通路上且引至比較器9的兩個輸入9.1/9.2中的一個。電阻5.3、5.4的連接節點被引至比較器9的另一輸入9.2/9.1。上述命名的部件，即二極體3.1，電阻4.2、4.4、5.1、5.2、5.3、5.4以及電容4.1、4.3的規格被選擇為使得包括在被提供至信號輸入2的調製的ASK信號中的要被採用的信息被全部保留。如上所述，圖3示出用於通過解調從負的半波中恢復所需信號的電路；而圖4示出用於通過解調從正的半波中恢復所需信號的電路。為了使電路發揮作用，所涉及的信號必須被饋送至比較器的合適輸入9.1,9.2。在圖3中，信號被饋送至負輸入9.1 ;在圖4中，信號被饋送至正輸入9.2。以下是圖3的說明。輸入耦合網絡6被連接至正輸入9.2。為方便起見，選擇電容耦合。在該實例中，輸入耦合網絡6因此包括串聯電容6.1，通過輸入6.2向其饋送數字控制信號。控制信號能夠通過微控制器等的數字I/O埠被饋送。通過輸入耦合網絡6，能在規定的初始狀態下偏置比較器9。例如，如果輸入規定的「低-高」沿，則比較器9可靠地升至超過閾值並在開始的狀態「高」下初始化。因此能確保信號傳輸正確地開始並滿足成功數據傳輸的需求。反饋網絡7與比較器9並聯。其將比較器9的輸出9.3與比較器9的正輸入9.2相連接。反饋網絡7包括並聯的電阻7.1以及電容7.2。因此，比較器9與反饋網絡一起形成施密特觸發器。通過另一電容7.2，與「常規」施密特觸發器相比，反饋迴路可實現高通性能。通過反饋網絡7的高通性能與濾波器4 (特別是低通)的相互作用，能抑制不可避免地由切換負載而造成的高頻噪聲信號。圖4中用於正的半波的電路也具有類似構造。通過串聯電容6.1和控制信號輸入6.2可以相同方式實現輸入耦合網絡6。反饋網絡7還包括與其並聯的電阻7.1和電容7.2。反饋網絡7從比較器9的輸出9.3連接至比較器的正輸入9.2。輸入耦合網絡6也連接至比較器9的正輸入9.2。因為載波信號和所需信號也分別提供至該輸入9.2，因此僅電壓匹配網絡5的中間節點、電阻5.3,5.4分別連接至負輸入9.1。因為在信號通路上具有反饋，因此濾波器4的性質受反饋網絡7的影響。通過向前地經由電壓匹配網絡5在電容7.3上的反饋，濾波器4的時間常數能夠被影響而作為副作用。在這種情況下，需要另一電阻4.5。以此方式產生的信號能夠在電子電路I的輸出8被檢測到。以此方式，所需信號例如包括控制信號或用於連接的微控制器(未示出)的通用數據等等。圖5示出數據機10，其包括電子電路I和調製器11。電子電路I僅由整流器3和濾波器4表示；剩餘部件如圖3和圖4中所示。通常，採用圖3中所示的電路。因為僅半波用於數據傳輸(例如負的半波)，因此能採用另一半波(例如正的半波)用於電能傳輸。可能的是載波信號一直被提供至信號輸入2。圖3和圖4中所示的電路用於通過解調而從調製的載波信號中恢復所需信號，同時圖5中所示的調製器11用於在相反方向上的傳輸，即用所需信號調製載波信號。調製器11包括負載網絡12和電路切換網絡13。串聯的部件電容12.1和電阻
12.2形成負載網絡12。負載網絡12應基本上為電容性的。實施例也可能是並聯兩個或通常並聯具有復阻抗的負載網絡12。電路切換網絡13包括開關電晶體13.1，更具體包括正增強型P溝道MISFET (金屬絕緣體半導體場效應電晶體)。也可在該位置採用CMOS開關(互補金屬氧化物半導體)、n溝道MISFET等。通過P溝道MISFET的使用，與DC電壓電平有關的源極端子連接至正電壓源13.4。因為負載網絡12的交流電壓信號可將噪聲引入電壓源13.4，因此將例如由電容13.3和電阻13.2構成的無源濾波器加入電路中。通過可能被連接至微控制器的輸入13.5控制電晶體13.1的柵極。通過電路切換網絡13切換負載網絡12的連接(特別是電晶體13.1)，改變信號輸入2上的負載並且由此得到幅值的改變。因此為了數據的發送，能夠用所需信號調製載波信號。可能的是，輸入13.5處的控制脈衝，即負載網絡12的連接，一直以載波信號的預定有效瞬時發生。由此，負載網絡通過同步網絡14 (見下文)與載波信號同步。同步的優點是僅以此方式能夠確保例如在交流電壓跨越零點時，負載網絡12始終連接至信號輸入2或始終在處於峰值電壓。因此優選地避免信號散射。通過同步網絡14在圖6中示出同步的可能。信號輸入2處的載波信號通過電容14.1連接至D觸發器14.2的時鐘輸入。電路信號輸入13.5連接至D觸發器14.2的數據輸入D。D觸發器14.2的輸出Q連接至電晶體13.1的柵極。D觸發器14.2的供電也能夠通過電源電壓13.4執行。通常，D觸發器14.2由CMOS技術製造。為了降低電流消耗，能夠將電阻14.3連，以縮短CMOS部件的無效邏輯區域的佔用時間。附圖標記I電子電路2信號輸入3整流器3.13 的二極體4濾波器4.14 的電容4.24 的電阻4.34 的電容4.44 的電阻4.54 的電阻5電壓匹配網絡5.15 的電阻5.25 的電阻5.35 的電阻5.45 的電阻6輸入耦合網絡6.16 的電容6.2輸入控制信號7反饋網絡7.17 的電阻7.27 的電容7.37 的電容
8信號輸出9比較器9.1第一比較器輸入9.2第二比較器輸入9.3比較器輸出10數據機11調製器12負載網絡12.112 的電容12.212 的電阻13電路切換網絡13.113的開關電晶體13.213 的電阻13.313 的電容13.413的電壓源13.513的電路信號輸入14同步網絡14.114 的電容14.214 的 D 觸發器14.314 的電阻Q 14.2 的輸出D 14.2的數據輸入Clock 14.2的時鐘輸入Vcc電源電壓GND 接地
權利要求
1.用於通過解調從載波信號中恢復所需信號的電子電路(I)，其中要被解調的載波信號以及所需信號被從信號輸入(2)輸入，該電子電路包括: 整流器(3)，所述整流器(3)僅能通過一種極性的載波信號， 所述整流器(3)之後的至少一個濾波器(4)，用以抑制所述載波信號的至少一個頻率範圍， 所述濾波器(4)之後的電壓匹配網絡(5)，實現所述電壓匹配網絡(5)以使得其匹配所述所需信號的電壓、並引導至比較器(9)的兩個輸入(9.1,9.2)中的一個， 其中取決於兩個輸入(9.1、9.2)之間的差，切換所述比較器的輸出(9.3)，以及 與比較器(9)並聯的反饋網絡(7)， 其中所述反饋網絡(7)將所述比較器(9)的所述兩個輸入(9.1,9.2)中的一個與所述比較器(9.3)的所述輸出(9.3)連接， 其特徵在於， 所述反饋網絡(7)包括高通特性。
2.根據權利要求1的電子電路(1)， 其中所述反饋網絡(7)被實現為正反饋網絡。
3.根據權利要求1或2的電 子電路⑴， 其中提供輸入耦合網絡出)，所述輸入耦合網絡(6)在所述比較器(9)之前並且被實現以使得其輸入控制信號。
4.根據權利要求3的電子電路(1)， 其中所述輸入耦合網絡(6)與數字控制信號電容耦合。
5.根據前述至少一項權利要求的電子電路(1)， 其中所述整流器(3)是半波整流器，特別是二極體(3.1)。
6.根據前述至少一項權利要求的電子電路(1)， 其中所述濾波器(4)是低通、高通和/或帶通的。
7.根據前述至少一項權利要求的電子電路(1)， 其中所述濾波器(4)包括專用無源元件。
8.用於通過解調從載波信號中恢復所需信號的方法， 所述方法包括以下步驟: 初始化， 整流所述載波信號， 濾波所述載波信號， 匹配所述所需信號的電壓， 將所述所需信號與比較信號相比較， 以高通特性反饋所述所需信號，以及 輸出所述所需信號。
9.數據機(10)，所述數據機(10)包括根據權利要求1至7中至少一項的電子電路(I)，還包括用於以所需信號調製載波信號的第二電子電路(11)，其中通過所述所需信號調製的所述載波信號被引至信號輸入(2)，包括: 負載網絡(12)，以及用於將所述負載網絡(12)連接至所述信號輸入(2)的電路切換網絡(13)。
10.根據權利要求9的數據機(10)，其中所述電路切換網 絡(13)包括至少一個開關電晶體(13.1)。
全文摘要
本發明涉及用於通過解調從載波信號中恢復所需信號的電子電路和方法以及數據機。該電子電路(1)包括整流器(3)，整流器(3)之後的至少一個濾波器(4)，濾波器(4)之後的電壓匹配網絡(5)，實現電壓匹配網絡(5)以使得其匹配所需信號的電壓、並引導至比較器(9)的兩個輸入(9.1、9.2)中的一個，其中取決於兩個輸入(9.1、9.2)之間的差，切換比較器的輸出(9.3)，以及，與比較器(9)並聯的反饋網絡(7)，其中反饋網絡(7)將比較器(9)的兩個輸入(9.1、9.2)中的一個與比較器(9.3)的輸出(9.3)連接，其特徵在於，反饋網絡(7)包括高通特性。
文檔編號H04L27/02GK103166888SQ20121054414
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月14日 優先權日2011年12月16日
發明者比約恩·哈斯, 斯特凡·皮爾茨 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾測量及調節技術分析儀表兩合公司