CN110635891A - 媒介转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于传输有线数据网络的数据的媒介转换器，用于这种媒介转换器的发射机和接收机，其中，通过第一媒介根据第一网络协议接收数据信号，并且将其转换成比特序列，该比特序列表示在第二协议的物理层上传输的数据，该传输的数据基于转换之后存在的能量形式。然后，在预定频带中随后通过比特序列调制的无线传输信号可被发射并且在接收侧上在预定频带中作为无线传输信号被接收，随后将无线传输信号解调成比特序列，该比特序列表示在第二协议的物理层上的数据。在根据第一网络协议将比特序列转换成数据信号之后，通过有线数据网络输出所述数据信号。

Description

媒介转换器

技术领域

本发明涉及一种用于传输有线数据网络的数据的媒介转换器、一种用于这种媒介转换器的发射机和接收机、以及一种用于传输有线数据网络的数据的方法。

背景技术

在工业上通用的通讯接口中，正在越来越频繁地使用具有100Mbit/s或1GBit/s的以太网通讯。为此，部分地使用实现即时性的协议(例如EtherCat、Sercos、Profinet IRT等)。也就是说，这些协议以非常短的延迟时间工作并且是相当确定性的。

然而，如果欲无线地传输这种协议，那么目前无法做到这一点，因为以数据包为基础的传输产生很多的附加延迟，使得协议不再有效。关注在传输有线数据网络的数据时产生的处理时间，尤其是在中间连接了无线的传输路径时，则在以数据包为基础进行传输时，根本问题是在每个传输路径之间等待完整的数据包。因此，尽管目前在无线通讯中应用了多种多样的无线技术，还是只能不充分地实现无线传输。最为熟知的是蓝牙和WLAN，但是已知还有Zigbee、Trusted Wireless或者移动无线电和更多其它技术。

这些无线技术提供了无线通讯的可选性，但是大多设计成用于特殊的应用。这些无线技术在带宽、或传输数据率、有效范围、调制等方面不同。然而所有技术共同的是，其建立在以数据包为基础的通讯上。这意味着，首先必须基于电气铜接口从初始源中接收特定的信息量(例如几个字节)。随后，可选地，在该信息被传到相应的无线接口上之前，还用附加信息(所谓的报头)扩展该数据包。在这种情况下，数据被调制并且通过天线发射。在接收机侧上，信息通过天线进入解调。随后，从该数据去除上述附加信息并且再次将数据包输出到电气铜接口上。

从专利文献DE 10 2016 213 076 A1中已知一种用于具有实时要求的非接触式数据传输的进一步发展的技术，尤其是用于与工业以太网协议相结合的数据传输。在此，提供用于双向传输有线数据网络的数据所用的非接触式传输耦合器的发射机和接收机，以及包括组合式发送和接收设备的用于双向传输有线数据网络的数据的传输耦合器。

具体地，专利文献DE 10 2016 213 076 A1对此提出了一种发射机，其具有用于接收数据信号的输入端和设定成将接收的数据信号转换成比特序列的转换器，其中，比特序列表示应用在有线数据网络上的网络协议的物理层，确切的说表示在应用在数据网络上的网络协议的物理层上传输的有效负载数据。随后，调制器利用由转换器提供的比特序列调制传输信号，并且高频级通过将传输信号转到高频带中而产生高频信号，随后，高频信号通过天线被发射，并且在接收机侧上通过另一天线再次接收该高频信号。随后，接收机的高频级再次通过将高频信号转到中间频带中而产生传输信号，随后，解调器通过解调再次从传输信号中产生比特序列，该比特序列表示在应用在有线数据网络上的网络协议的物理层上传输的有效负载数据，并且由转换器转换成数据信号，并且随后将该数据信号再次输出到数据网络上。

虽然专利文献DE 10 2016 213 076 A1通过这种方式基本上能够以与比特带宽相同的数量级的极短延迟时间非接触地且有效地传输数据，因为对在有线数据网络的物理层上传输的比特序列进行探测，通过被探测的比特序列调制传输信号，并且作为无线信号进行传输，随后再次解调无线信号，重构比特序列，并且为有线数据网络产生相应的数据信号。

然而在这种情况下，缺点是：为了使发射机和接收机彼此同步，在发射机和接收机两侧上，除了转换器之外还需要均设置逻辑电路，尤其是以FPGA(现场可编程门阵列)的形式的逻辑电路，其负责用于产生脉冲或控制频率。

发明内容

因此，本发明的目的在于说明与现有技术相比显著改进的用于在无线中间传输路径上传输有线数据网络的数据的过程，通过该过程尤其是可省去通过单独的模块附加地产生脉冲和/或控制频率以用于使发射机和接收机彼此同步。

本发明的解决方案通过具有根据独立权利要求所述的特征的主题给出。从属权利要求的主题是适宜的实施方式或改进方案。

因此，通过本发明提出，提供用于通过不同媒介传输数据的媒介转换器的发射机，其中，发射机具有输入端、转换器、调制器和天线。

其中，发射机的输入端设定成用于通过配置成有线数据网络的第一媒介根据应用在第一有线数据网络上的第一网络协议接收数据信号。转换器设定成将接收的数据信号转换成比特序列，其中，比特序列表示在第二协议的物理层上传输的数据，第二协议以存在于转换器的输出侧上的第二媒介为基础。调制器设定成在预定频带中通过由转换器提供的比特序列调制无线传输信号，并且天线设置成用于发射无线传输信号。

通过本发明还提出，提供用于通过不同媒介传输数据的媒介转换器的接收机，媒介转换器具有配置成有线数据网络的第一媒介和用于此的网络协议，其中，接收机具有天线、解调器、转换器和输出端。

其中，接收机的天线设定成用于在预定频带中接收无线传输信号。解调器设定成通过将无线传输信号解调产生比特序列，该比特序列表示在第二协议的物理层上的数据，第二协议以存在于转换器的输入侧上的第二媒介为基础，其中，转换器设定成根据应用在有线数据网络上的第一网络协议将比特序列转换成数据信号，并且输出端设置成用于将数据信号输出到有线数据网络上。

此外，为了通过不同媒介传输有线数据网络的数据，本发明提出，将媒介转换器配置成具有如上所述的发射机和接收机。

最终，本发明也提出一种用于通过不同媒介传输有线数据网络的数据的方法，该方法具有以下步骤。通过配置成有线数据网络的第一媒介根据应用在有线数据网络上的第一网络协议接收数据信号11a并且将其转换成比特序列，其中，比特序列表示在第二协议的物理层上传输的数据，该传输的数据基于转换之后存在的能量形式，并且随后通过比特序列调制预定频带中的无线传输信号。发射并且再次接收该无线传输信号。再次将接收的无线传输信号解调成表示在第二协议的物理层上的数据的比特序列，并且随后根据应用在有线数据网络上的第一网络协议将该比特序列转换成数据信号，并且通过有线数据网络输出该数据信号。

由此，与现有技术，尤其是专利文献DE 10 2016 213 076A1相比，本发明的一方面在于：在发射机侧上从通过有线数据网络接收的数据信号转换的比特序列、以及将要在接收侧转换成待输出到有线数据网络上的数据信号的比特序列既不表示应用在有线数据网络上的网络协议的物理层，也不表示在应用在此有线数据网络上的网络协议的物理层上传输的有效负载数据。

相反地，比特序列表示在另一协议的物理层上传输的数据，该另一协议具体地以转换器的存在比特序列的一侧上的媒介为基础。由此，可省去通过单独的模块附加地产生脉冲和/或控制频率以用于使发射机和接收机彼此同步，因为同步信息，尤其是对于接收侧所需要的同步信息可已经直接嵌入比特序列中，并不是在调制过程中才产生。

其中优选地，有线数据网络以以太网标准，优选地100BASE-T或1000BASE-T为基础，和/或第二协议对应于光纤信道标准，例如100BASE-FX或1000BASE-FX。尤其是在这种情况中，适宜地进一步使用具有光学纤维接口的以太网PHY作为转换器。

优选地规定，为无线传输信号使用ISM频带，尤其是EHF(极高频)频率范围，优选地57至66GHz或更高的频率范围。一方面，这实现了足够的带宽，并且允许连续的通讯。在这种频率范围中，在实现非常小的通讯空间同时实现高的数据传输率，使得多个不同的***或根据本发明的媒介转换器能在彼此附近无干扰地工作。

此外，适宜地，在比特转换期间，转换器在各个情况下根据存在于转换器的输出侧的接口上的物理层进行编码，尤其是4B5B编码，因为由此可以简单的方式将相应的同步信息嵌入经转换的数据中。

此外，通过发射机的转换器和/或接收机的转换器的转换在实际上连续地且与帧或数据包无关地进行。

附图说明

根据附图从以下对优选的设计方案和改进方案中得到其它特征和优点，其中：

图1示出了根据本发明的用于通过不同媒介传输有线数据网络的数据的优选实施的方法的非常简化的流程图，以及

图2示出了根据本发明的具有发射机和接收机的媒介转换器的实施例的非常简化的框图。

具体实施方式

图1通过非常简化地示出的流程图示出了通过不同媒介传输有线数据网络的数据。所示出的方法和以下还将补充地描述的装置例如可应用在用于耦合无线的能量和数据的通讯接口的范围中，例如在自动化工业或其它自动化环境中，以替代例如在通用机器人工具上的需频繁维护的插头连接。

其中，通过配置成有线数据网络的第一媒介接收(例如以附图标记11指出)与应用在有线数据网络上的第一网络协议对应的数据信号11a，并且随后将接收的数据信号转换(例如以附图标记12指出)成比特序列12a。在转换之后，该比特序列12a表示将要在第二协议的物理层上传输的数据，尤其而言，该传输的数据基于转换之后存在的另一能量形式。在实际的实现方案中，第一数据网络尤其可为有线的、尤其是以铜为基础的数据网络，和/或因此，数据信号11a尤其是可为场总线数据信号，例如根据标准100BASE-T或1000BASE-T的以太网信号，其目前常常使用在用于以数据包为基础的通讯的工业和/或自动化技术中。在实施时，适宜地与专利文献DE 10 2016 213 076 A1相似地，在比特传输层(“物理层”，英文“physical layer”＝“PHY”)上探测所接收的数据信号的数据，以将多元数据信号、也就是说二元或更高元数据信号(例如通过至少一个芯线对来传输的场总线信号)转换成具有简单的比特流形式的二元信号。优选地，与帧或数据包无关地并且因此连续地且最多以仅仅最小延迟立即(也就是说当数据信号到达时)进行该转换。然而如以上已经阐述的那样，在转换之后，比特序列12a表示将要在第二协议的物理层上传输的数据，该传输的数据基于转换之后存在的另一能量形式。例如，如果在比特传输层上探测到通过有线数据网络接收的以太网信号(例如在图1中的转换步骤12中通过以ETH表示的功能块指出)，并且在转换之后，比特序列12a以用于在光学纤维接口上输出的能量形式存在(例如在图1中的转换步骤12中通过以FO表示的功能块指出)，则比特序列12a表示将要在适合于此的第二协议的物理层上传输的数据，即，例如符合光纤信道标准例如100BASE-FX或1000BASE-FX。由此，可省去通过独立的模块附加地产生脉冲和/或控制频率以用于使发射机和接收机彼此同步，因为同步信息、尤其是对于接收侧所需要的同步信息可已经直接嵌入比特序列中并且不是在调制过程中才产生。优选地，在本发明的情况下，为了在接收机中同步和随后恢复脉冲，在转换时使用附加的4B5B编码。

随后，通过比特序列调制13预定频带中的无线传输信号13a。为此，适宜地，进行二进制的、直接的调制，其中，预定的、有利地可调整的频带必须提供充分的带宽，以便在调制的、然而仍然仅仅是二元的信号中实现连续的、基本上无延迟的通讯。其中，证实为有利的是在EHF频率范围中(极高频率)或更高频率范围中进行无线传输信号。适宜地，补充地或备选地，将优选地在57至66GHz的频率范围中的ISM频带(工业、科学与医学带)用于无线传输信号，因为其通常可在无需授权的情况下使用。尽管欲通过本发明桥接的无线传输路径通常具有很短的距离，优选地在约10cm的范围中，并且用于这种类型的小的距离的HF范围在专业范围中通常与专业知识背离并且不吸引人，但在本案中，以上阐述的HF范围甚至适合用于小的距离，尤其是因为其提供了足够的带宽，以能够以高的数据率基本上无延迟地传输经调制的信号，并且多个***还可彼此挨着而无干扰地运行，因为实现了可良好控制的信号传输并且因此可良好地限制通讯空间、也就是说无线传播。

可根据具体的配置方案将不同的调制技术用于调制，其中，数字调幅被证实为尤其适宜的，因为对其的再次解调也简单。然而备选地，也可使用调制技术，例如FSK(频移键控)或PSK(移相键控)。

随后，在调制之后被发射14且在接收机侧上接收24的无线传输信号13a，再次被解调成比特序列22a，也就是说，尤其是二进制地且直接被解调，其中，比特序列22a再次表示在以上阐述的第二协议的物理层上的数据。随后，根据以上阐述的应用在有线数据网络上的第一网络协议将恢复的比特序列22a转换成数据信号21a并且通过有线的数据网络输出21。

因此，尤其是也可用于实现上述方法的、用于通过不同的媒介传输数据的媒介转换器，也就是说基本上在数据传输时实现或引起所使用的传输媒介交换的传输耦合器，原则上具有发射机(在图2中介质转换器的实施方式的非常简化的方框图中以附图标记110表示)和接收机(在图2中非常简化的方框图中以附图标记120表示)。

因此，发射机110此外包括输入端111，其配置成用于通过配置成有线数据网络的第一媒介根据应用在第一有线数据网络上的第一网络协议接收数据信号。

此外，发射机110包括转换器112，转换器设定成，将接收的数据信号转换成比特序列。在实际的实现方案中，接收机111由此将接收的数据信号交给在转换器112的输入端上的物理接口(PHY)。如果有线数据网络以以太网标准、优选地以100BASE-T或1000BASE-T为基础，转换器112的PHY在此根据合适的以太网PHY配置。

在考虑以上参考图1对根据本发明的方法设计方案的描述的情况下，转换器进一步设定成，将接收的数据信号转换成比特序列，使得被转换的比特序列表示在第二协议的物理层上传输的数据，第二协议以实际在转换器输出侧上提供的第二媒介为基础。尤其是，因此，当转换器112根据以上描述在输出侧优选地具有光学纤维接口时，第二协议对应于光纤信道标准、例如100BASE-FX或1000BASE-FX。

发射机110还具有在传输方面上连接在转换器112之后的调制器113，调制器通过由转换器提供的比特序列调制预定频带中的无线传输信号，随后无线传输信号被传给用于发射无线传输信号的发射机的天线114。

由发射机的天线114发射的无线传输信号随后可再次被媒介转换器的接收机120接收。

因此，在图2中绘出的接收机120为此首先具有用于接收预定频带中的无线传输信号的天线124、解调器123、在传输方面上连接在解调器之后的转换器122和输出端121。

在考虑以上尤其是也参考图1进行的描述的情况下，解调器123相应地设定成，通过对无线传输信号的解调再次产生比特序列，于是，比特序列表示在第二协议的物理层上的数据。与发射机110的转换器112不同，转换器122在输入侧具有根据所使用的第二协议的初始设置的媒介并且设定成，再次根据应用在有线的数据网络上的第一网络协议将比特序列转换成数据信号。随后，输出端121用于将数据信号输出到有线数据网络上。

应指出的是，在本发明的范围中，媒介转换器原则上也具有用于双向地传输有线数据网络的数据的至少一个组合式发送和接收设备，组合式发送和接收设备如以上描述的那样包括发射机和接收机。

此外应指出，为了如上所述将场总线数据信号、尤其是以太网数据信号根据光纤信道标准转换成比特序列或者进行相反的转换，转换器112和/或转换器122可通过已经具有其它接口的PHY或者根据具有两个PHY的电路来实现，也就是说，在将以太网数据信号根据光纤信道标准转换成比特序列的情况或者相反的情况中，利用已经具有附加的光学纤维接口的以太网PHY或者利用两个相应所需的、电路技术上相互连接的PHY来实现。

在考虑以上、尤其是还参考图1进行的描述的情况下，适宜地，调制器113、天线114和124以及解调器123配置成，使得无线传输信号处于EHF频率范围(极高频)中或者更高范围中和/或处于ISM频带中，尤其是GHz范围中的ISM频带中，优选地在57至66GHz的频率范围中。以上所述的装置适宜地也设定成，可调整预定的频率范围。

同样，在考虑以上尤其是也参考图1进行的描述的情况下，此外，转换器112和/或转换器122适宜地设定成，一方面在比特转换时根据相应地存在于转换器的输出侧的接口上的物理层进行编码、尤其是4B5B编码，和/或另一方面相应地优选地连续地且与帧或数据包无关地进行转换。

在考虑以上、尤其是也参考图1进行的描述的情况下，配置成用于将从有线数据网络接收的数据信号转换成比特序列的转换器还优选地设定成，用于将同步信息嵌入比特序列中。

Claims (12)

1.一种用于通过不同媒介传输数据的媒介转换器的发射机(110)，所述发射机包括：

-输入端(111)，用于通过配置成有线数据网络的第一媒介根据应用于第一有线数据网络上的第一网络协议接收数据信号，

-转换器(112)，其设定成将接收的数据信号转换成比特序列，其中，所述比特序列表示在第二协议的物理层上传输的数据，所述第二协议以存在于所述转换器的输出侧上的第二媒介为基础；

-调制器(113)，其设定成在预定频带中通过由转换器提供的比特序列调制无线传输信号；以及

-天线(114)，用于发射无线传输信号。

2.一种用于通过不同媒介传输数据的媒介转换器的接收机(120)，所述媒介转换器具有配置成有线数据网络的第一媒介和应用于所述有线数据网络的网络协议，所述接收机包括：

-天线(124)，用于在预定频带中接收无线传输信号；

-解调器(123)和转换器(122)，所述转换器(122)在传输方面上连接在所述解调器之后，其中，所述解调器(123)设定成通过将无线传输信号解调产生比特序列，所述比特序列表示在第二协议的物理层上的数据，所述第二协议以存在于所述转换器的输入侧上的第二媒介为基础，并且，所述转换器(122)设定成根据应用在有线数据网络上的第一网络协议将所述比特序列转换成数据信号；以及

-输出端(121)，用于将数据信号输出到有线数据网络上。

3.一种用于通过不同媒介传输有线数据网络的数据的媒介转换器，所述媒介转换器包括根据权利要求1所述的发射机和根据权利要求2所述的接收机。

4.一种用于双向地传输有线数据网络的数据的媒介转换器，所述媒介转换器具有组合式发送和接收设备，所述组合式发送和接收设备包括根据权利要求1所述的发射机和根据权利要求2所述的接收机。

5.根据权利要求3或4所述的媒介转换器，其中，所述有线数据网络以以太网标准为基础，优选地以100BASE-T或1000BASE-T为基础，和/或其中，所述第二协议对应于光纤信道标准，例如100BASE-FX或1000BASE-FX。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的媒介转换器，其中，所述无线传输信号在ISM频带中，尤其是在GHz范围中的ISM频带中，优选地在57至66GHz的频率范围中。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的媒介转换器，其中，所述无线传输信号在极高频频率范围或更高的频率范围中。

8.根据权利要求3至6中任一项所述的媒介转换器，其中，所述转换器是具有光学纤维接口的以太网PHY。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的媒介转换器，其中，在比特转换期间，所述转换器在各个情况下根据存在于所述转换器的输出侧接口上的物理层进行编码，尤其是4B5B编码。

10.根据权利要求3至9中任一项所述的媒介转换器，其中，所述发射机的转换器和/或所述接收机的转换器设定成连续地且与帧或数据包无关地进行转换。

11.根据权利要求3至10中任一项所述的媒介转换器，其中，配置成用于将从有线数据网络接收的数据信号转换成比特序列的转换器设定成用于将同步信息嵌入所述比特序列中。

12.一种用于通过不同媒介传输有线数据网络的数据的方法，所述方法包括以下步骤：

-通过配置成有线数据网络的第一媒介根据应用在所述有线数据网络上的第一网络协议接收(11)数据信号(11a)；

-将所接收的数据信号转换(12)成比特序列(12a)，其中，所述比特序列表示在第二协议的物理层上传输的数据，所述传输的数据基于转换之后存在的能量形式；

-在预定频带中通过所述比特序列调制(13)无线传输信号(13a)并且发射(14)所述无线传输信号(13a)；

-在所述预定频带中接收(24)所述无线传输信号(13a)；

-将所述无线传输信号(13a)解调(23)成比特序列(22a)，所述比特序列(22a)表示在第二协议的物理层上的数据，

-根据应用在有线数据网络上的第一网络协议将所述比特序列(22a)转换(22)成数据信号(21a)，并且通过有线数据网络输出(21)所述数据信号(21a)。

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