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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Datenübertragung
in Flüssigkeiten
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Modulator/Demodulator
zur akustischen Datenübertragung
in Flüssigkeiten
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren.
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Unterwassermesseinrichtungen,
beispielsweise in Form von Seismometern, nehmen auf dem Meeresgrund
Messdaten auf und übertragen
diese an die Meeresoberfläche
mittels einer akustischen Datenübertragung
an eine zugehörige
Kommunikationseinheit, die beispielsweise in einer Boje angeordnet
sein kann.
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Die
Energieversorgung der Unterwassermesseinrichtungen erfolgt üblicherweise
mit Batterien oder Akkumulatoren. Da ein Austausch bzw. Aufladen
dieser Energiespeicher mit hohem Aufwand verbunden ist, bestehen üblicherweise
hohe Anforderungen an eine Batterie- bzw. Akkumulatorlaufzeit der
Unterwassermesseinrichtungen. Da jedoch die zur akustischen Datenübertragung
verwendeten Modulatoren/Demodulator en relativ große Sendeleistungen
aufweisen und auch die Empfangseinheiten, beispielsweise in Form
von Eingangsverstärkern, A/D-Wandlern
usw., im aktiven Zustand relativ viel Leistung benötigen, ist
die Batterielebensdauer häufig
unerwünscht
kurz.
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In
der
US 4 486 861 A ist
ein Verfahren zur akustischen Datenübertragung in Flüssigkeiten
beschrieben, bei dem von einer ersten Kommunikationseinheit Daten
zu mindestens einer zweiten Kommunikationseinheit gesendet werden
und die zweite Kommunikationseinheit nach dem Empfangen der Daten
Antwortdaten an die erste Kommunikationseinheit sendet.
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In
der
GB 2 288 479 A ist
ein Verfahren zum Betrieb eines Modulator/Demodulators zur akustischen
Datenübertragung
in Flüssigkeiten
mit einer Sendeeinheit, einer Empfangseinheit und einer mit der
Sendeeinheit und der Empfangseinheit gekoppelten Betriebszustandssteuereinheit
beschrieben, bei dem die Betriebszustandssteuereinheit in einen Ruhebetriebszustand
versetzt und die Sendeeinheit in diesem Zustand deaktiviert gehalten
wird, wohingegen ein Empfangsverstärker dauernd aktiviert bleibt.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur akustischen
Datenübertragung,
einen Modulator/Demodulator zur akustischen Datenübertragung
und ein Verfahren zum Betrieb eines Modulator/Demodulators zur akustischen
Datenübertragung
zur Verfügung
zu stellen, mit denen eine vergleichsweise lange Betriebsdauer ohne
einen Wechsel eines Energiespeichers ermöglicht wird.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch ein Verfahren zur akustischen Datenübertragung
nach Anspruch 1, einen Modulator/Demodulator nach Anspruch 7 und
ein Betriebsverfahren nach Anspruch 10.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur akustischen Datenübertragung
in Flüssigkeiten
werden von einer ersten Kommunikationseinheit Daten zu mindestens
einer zweiten Kommunikationseinheit gesendet. Die erste Kommunikationseinheit
kann beispielsweise Teil einer Unterwassermesseinrichtung auf dem
Meeresgrund sein und die zweite Kommunikationseinheit kann eine
zugehörige
Relaisstation auf der Meeresoberfläche sein, welche die übertragenen
Daten beispielsweise an einen Satelliten weiterüberträgt. Die zweite Kommunikationseinheit sendet
nach dem Empfangen der Daten Antwortdaten an die erste Kommunikationseinheit,
wodurch beispielsweise ein so genannter Handshake-Betrieb ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird eine
Sendeeinheit der ersten Kommunikationseinheit nur während des
Sendens aktiviert bzw. in Sendebereitschaft gehalten. Dies reduziert
die Leistungsaufnahme bereits deutlich. Zusätzlich werden eine Empfangseinheit
und/oder andere Baugruppen der ersten Kommunikationseinheit nur
innerhalb von Zeitfenstern aktiviert, deren zeitliche Lage und/oder
Dauer bezogen auf den Sendezeitpunkt der Daten in Abhängigkeit von
einer vorausgeschätzten
oder vorausberechneten Laufzeit des akustischen Signals zwischen
der ersten und der zweiten Datenübertragungseinheit eingestellt
wird. Eine Schätzung
kann beispielsweise aufgrund der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit
von Schall in Wasser und einer bekannten bzw. geschätzten Entfernung
zwischen den beiden Kommunikationspartnern berechnet werden. Selbstverständlich können die
erste und die zweite Kommunikationseinheit symmetrisch aufgebaut
sein, d.h. ihre Rollen vertauschen.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird eine Zeitdauer zwischen
dem Senden der Daten und dem Empfangen der Antwortdaten durch die
erste Kommunikationseinheit fortlaufend ermittelt und die zeitliche
Lage des Zeitfensters in Abhängigkeit
von der ermittelten Zeitdauer eingestellt. Dies ermöglicht beispielsweise
ein Nachführen
der Lage und/oder der Dauer des Empfangszeitfensters bei einer Relativbewegung
der Kommunikationseinheiten, die eine Laufzeitveränderung
zur Folge hat.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens werden für einen Fall, bei dem nach
dem Übertragen
der Daten durch die erste Kommunikationseinheit keine Antwortdaten
von dieser empfangen werden, die Lage und/oder die Dauer des Zeitfensters
verändert und
erneut Daten an die zweite Kommunikationseinheit gesendet. Wenn
die tatsächliche
Laufzeit merklich von der vorausgeschätzten oder vorausberechneten
Laufzeit des akustischen Signals abweicht, beispielsweise aufgrund
schneller, unstetiger Relativbewegungen zwischen den Kommunikationseinheiten,
ermöglicht
diese sukzessive Veränderung
des Empfangszeitfensters hinsichtlich seiner Dauer bzw. seiner Lage
bezüglich
des Sendezeitpunkts der Daten, dass nach einer gewissen Anzahl von
Versuchen ein passendes Empfangszeitfenster eingestellt bzw. gefunden
wird.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens umfassen die Antwortdaten ein
Quittungssignal. Das Quittungssignal kann beispielsweise ein so
genanntes Acknowledge(ACK)-Signals sein, wodurch ein Handshake-Verfahren zur Datenintegritätssicherung möglich wird.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens sind die Daten Mess- und/oder
Steuerdaten einer Unterwassermesseinrichtung. Gerade bei derartigen
Messeinrichtungen ist ein geringer, durch die akustische Datenübertragung
verursachter Energieverbrauch vorteilhaft.
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In
einer Weiterbildung wird eine Sendeleistung der ersten Kommunikationseinheit
und/oder der zweiten Kommunikationseinheit in Abhängigkeit
von einer Verbindungsqualität
zwischen der ersten und der zweiten Kommunikationseinheit eingestellt.
Hierbei kann beispielsweise eine empfangende Kommunikationseinheit
Informationen bezüglich
der Qualität des
Empfangssignals bei einer nachfolgenden Datenübertragung an den Sender zurückübertragen. Dieser
kann anhand dieser Informationen neben kodierungs- und/oder modulationsspezifischen
Parametern eine Amplitude eines gesendeten Trägersignals derart nachregeln,
dass sich ein möglichst
gutes Verhältnis
aus einer Fehlerrate beim jeweiligen Empfänger und verbrauchter Energie
beim jeweiligen Sender ergibt.
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Der
erfindungsgemäße Modulator/Demodulator
zur akustischen Datenübertragung
in Flüssigkeiten
umfasst eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit und eine mit
der Sendeeinheit und der Empfangseinheit gekoppelte Betriebszustandssteuereinheit,
die zur Ausführung
des obigen Verfahrens eingerichtet ist. Unter Modulator/Demodulator
(Modem) wird hierbei ein Gerät
verstanden, welches zu sendende Daten auf ein akustisches Trägersignal aufmoduliert
und modulierte Daten demoduliert, d.h. wieder vom Trägersignal
befreit. Typischerweise dient als Eingangsdatenstrom bzw. Ausgangsdatenstrom
des Modems eine Bitfolge. Diese wird z.B. von einem so genannten
Host-System oder Endgerät bereitgestellt
bzw. an dieses ausgegeben. Als Modulations/Demodulationsverfahren
sind alle herkömmlichen
Verfahren zur Übertragung
von Daten in Flüssigkeiten,
insbesondere Wasser, geeignet. Aufgrund der erfindungsgemäß eingerichteten
Betriebszustandssteuereinheit kann eine Leistungsaufnahme des Modems
deutlich reduziert werden, wodurch bei batteriebetriebenen Systemen
die Batterielebensdauer deutlich erhöht wird. Dies macht derartige
erfindungsgemäße Modems
beispielsweise geeignet für
ihre Verwendung in Unterwassermesssystemen, beispielsweise im Kontext
von Tsunamifrühwarnsystemen.
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In
einer Weiterbildung des Modulator/Demodulators umfasst die Sendeeinheit
einen Leistungsverstärker
zur Ansteuerung eines akustischen Signalumwandlers und/oder die
Empfangseinheit einen Eingangsverstärker.
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In
einer Weiterbildung des Modulator/Demodulators umfasst dieser einen
digitalen Signalprozessor zur Verarbeitung von zu sendenden und/oder
zu empfangenden Daten. Der digitale Signalprozessor kann ebenfalls
betriebszustandsabhängig
von der Betriebszustandssteuereinheit aktiviert bzw. deaktiviert
werden, d.h. in Abhängigkeit
davon, ob er momentan benötigt
wird oder nicht. Ein digitaler Signalprozessor ermöglicht eine
leistungsfähige
Auswertung bzw. Erzeugung komplexer Signale.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Betrieb eines Modulator/Demodulators sind in einem Ruhebetriebszustand
die Sendeeinheit und die Empfangseinheit deaktiviert. Die Betriebszustandssteuereinheit
aktiviert lediglich die Empfangseinheit periodisch und überprüft bei aktivierter
Empfangseinheit, ob von dieser ein vorbestimmtes Empfangssignalmuster
empfangen wird. Wenn das vorbestimmte Empfangssignalmuster empfangen
wird, stellt die Betriebszustandssteuereinheit einen aktiven Betriebszustandzustand
ein. In diesem kann beispielsweise ein voller Funktionsumfang bzw.
eine vollständige
Empfangsbereitschaft, inklusive der Fähigkeit zur Modulation/Demodulation
bzw. Kodierung/Dekodierung gegeben sein. Auf diese Weise kann eine
rudimentäre
Empfangsbereitschaft sichergestellt werden, wobei durch Senden des
vorbestimmten Empfangssignalmusters ein "Aufwecken" des Modulator/Demodulators erfolgen
kann. Das vorbestimmte Empfangssignalmuster sollte hierbei so lange
gesendet werden, dass zumindest eine Periodendauer der Betriebszustandssteuereinheit überdeckt
wird. Betriebszustandssteuereinheit behält den Ruhebetriebszustand
bei, wenn das vorbestimmte Empfangssignalmuster nicht empfangen
wird. Der genante Vorgang wiederholt sich periodisch.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird im aktiven Betriebszustandzustand
eine zentrale Verarbeitungseinheit aktiviert. Dies kann beispielsweise ein
digitaler Signalprozessor sein.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird bei einem Übergang
von dem Ruhebetriebszustand in den aktiven Betriebszustandzustand
ein Bereit-Signal gesendet. Dies zeigt einem das vorbestimmte Empfangssignalmuster
sendenden Gerät
an, das nun die vollständigen
Kommunikationsfähigkeiten zur
Verfügung
stehen.
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Eine
Kommunikationspartner des Modulator/Demodulators ist üblicherweise
ein Modulator/Demodulator des gleichen Typs bzw. entsprechenden Eigenschaften.
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Die
Erfindung wird nachfolgen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Hierbei zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Modulator/Demodulators mit einer Betriebszustandssteuereinheit
und
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2 ein
Diagramm eines Übertragungsprotokolls,
das gemäß einen
Verfahren zur akustischen Datenübertragung
ausgeführt
wird.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild eines Modulator/Demodulators 1. Der
Modulator/Demodulator 1 ist über eine herkömmliche,
nicht näher
bezeichnete Schnittstelle mit einem Host 2 verbunden, der
zu übertragende
Daten in das Modem einspeist und empfangene Daten aus dem Modem
ausliest. Der Modulator/Demodulator 1 ist weiterhin mit
einem herkömmlichen
Signalumwandler oder Transducer 3 verbunden, der ein elektrisches
Signal in ein akustisches Signal umwandelt und umgekehrt.
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Der
Modulator/Demodulator 1 umfasst eine Sendeeinheit in Form
eines Leistungsverstärkers 4 und
einer Hochspannungsversorgungseinheit 5 zur Versorgung
eines dem Signalumwandler 3 zugeordneten Signalverstärkers, eine
Empfangseinheit in Form eines rauscharmen Eingangsverstärkers 6, eine
Signalweiche 7 zur Steuerung der Übertragungsrichtung, eine zentrale
Verarbeitungseinheit in Form eines digitalen Signalprozessors 8,
eine Niederspannungsversorgung 9 zur Versorgung der elektrischen
Schaltkreise mit einer Gleichspannung, beispielsweise 3V, und eine
Betriebszustandssteuereinheit in Form eines Mikrocontrollers 10,
der eine sehr geringe Stromaufnahme aufweist.
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Der
Host 2, der Modulator/Demodulator 1 und der Transducer 3 bilden
eine erste Kommunikationseinheit, die mit einer gleichen oder ähnlichen, nicht
in 1 gezeigten zweiten Kommunikationseinheit mittels
akustischer Datenübertragung
unter Wasser Daten austauschen kann. Die erste Kommunikationseinheit
ist am Meeresgrund angeordnet und bildet ein Seismometer, das im
Rahmen eines Tsunamifrühwarnsystems
verwendet wird. Die zweite Kommunikationseinheit kann sich an der
Meeresoberfläche
befinden und die vom Meeresgrund empfangenen Daten geeignet weiterleiten.
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Die
Betriebszustandssteuereinheit 10 ist mit dem Leistungsverstärker 4,
der Hochspannungsversorgungseinheit 5, dem Eingangsverstärker 6,
der Signalweiche 7, dem digitalen Signalprozessor 8 und der
Host-Schnittstelle
verbunden. Sie wird aus der Niederspannungsversorgung 9 gespeist.
Die Betriebszustandssteuereinheit 10 kann die mit ihr verbundenen
Einheiten aktivieren bzw. deaktivieren.
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In
einem Ruhebetriebszustand, während dem
kein Datenaustausch stattfindet, deaktiviert die Betriebszustandssteuereinheit 10 zunächst alle
genannten Komponenten und Schaltungsteile, die in diesem Betriebszustand
nicht benötigt
werden. Dies reduziert die Stromaufnahme drastisch, wodurch sich die
Standzeit eines Energiespeichers beträchtlich erhöht.
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Um
dennoch Daten mit anderen Kommunikationseinheit austauschen zu können, aktiviert
die Betriebszustandssteuereinheit 10 periodisch den Eingangsverstärkers 6 und
steuert die Signalweiche 7 in eine Empfangsrichtung. Die
Betriebszustandssteuereinheit 10 überprüft nun, ob ein vorbestimmtes Empfangssignalmuster
am Eingangsverstärkers 6 anliegt.
Dies ist dann der Fall, wenn die zweite Kommunikationseinheit einen
Datenaustausch wünscht und
hierzu ein entsprechendes Signalmuster erzeugt bzw. sendet.
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Wenn
das vorbestimmte Empfangssignalmuster durch die Betriebszustandssteuereinheit 10 erkannt
wird, stellt sie einen aktiven Betriebszustandzustand ein, d.h.
sie aktiviert diejenigen Komponenten, die für eine Datenübertragung
notwendig sind. Um einen Datenempfang zu ermöglichen, wird beispielsweise
der Signalprozessor 8, der Eingangsverstärkers 6 und
die Hochspannungsversorgungseinheit 5 aktiviert. Nach erfolgter
Aktivierung kann ein Bereit-Signal gesendet werden, wodurch die
Empfangsbereitschaft der anfordernden Einheit angezeigt wird.
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Der
Ruhebetriebszustand wird beibehalten, wenn das vorbestimmte Empfangssignalmuster
nicht empfangen wird.
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Auf
diese Weise kann mit geringstem Energieverbrauch eine grundsätzliche
Empfangsbereitschaft aufrechterhalten werden. Wenn ein entsprechendes "Wecksignal" empfangen wird,
wird in Folge die vollständige
Empfangsbereitschaft hergestellt. Alle hierzu notwendigen Funktionen
sind in der Betriebszustandssteuereinheit bzw. dem Mikrocontroller 10 als
Softwaremodule hinterlegt.
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2 zeigt
ein Diagramm eines Übertragungsprotokolls
bzw. einer Datenübertragung
zwischen dem Host 2 und einem Host 2'.
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Die
Datenübertragung
wird dadurch eingeleitet, dass der Host 2 zu sendende Daten
SD über
die Schnittstelle an den Modulator/Demodulator 1 sendet.
Da zuvor noch keine Datenübertragung
stattgefunden hat, befindet sich ein mit dem Host 2' verbundener
Modulator/Demodulator 1' im
Ruhebetriebszustand.
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Um
den Modulator/Demodulator 1' in
einen empfangsbereiten Zustand zu versetzen, sendet der Modulator/Demodulator 1 das
Empfangssignalmuster bzw. ein akustisches "Aufwecksignal" WU. Zum Senden wird der Modulator/Demodulator 1 in
einen Sendezustand versetzt, der mit TX bezeichnet ist. Während des
Zustands TX ist die Sendeeinheit des Modulator/Demodulators 1 aktiviert.
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Das
Signal WU wird, wie oben beschrieben, durch die Betriebszustandssteuereinheit 10 des
Modulator/Demodulators 1' detektiert,
worauf diese den Modulator/Demodulator 1' in einen empfangsbereiten Zustand
umschaltet, der durch RX bezeichnet ist. Im gezeigten Fall wird
kein Bereit-Signal durch den Modulator/Demodulator 1' gesendet.
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Nach
einer Wartezeit, die einer typischen Aktivierungszeit eines Modulator/Demodulators 1 bzw. 1' entspricht,
sendet der Modulator/Demodulator 1 die Daten SD durch geeignete
Modulation eines akustischen Trägersignals
an den Modulator/Demodulator 1'. Unmittelbar im Anschluss an das
Senden der Daten SD wechselt der Modulator/Demodulator 1 in
den Ruhebetriebszustand, d.h. lediglich die Betriebszustandssteuereinheit 10 ist
noch aktiv.
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Da
der Modulator/Demodulator 1' aufgrund des
zuvor empfangenen Aufwecksignals WU im empfangsbereiten Zustand
ist, kann er das mit den Daten SD modulierte Trägersignal empfangen, geeignet
demodulieren und an den Host 2' über die serielle Schnittstelle
ausgeben.
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Im
Anschluss an den Empfang der Daten SD schaltet der Modulator/Demodulator 1' auf den TX-Betrieb
um und sendet Antwortdaten bzw. ein Quittungssignal ACK an den Modulator/Demodulator 1,
um einen ordnungemäßen Empfang
der Daten SD anzuzeigen. Wenn die Daten SD nicht ordnungsgemäß empfangen
werden, was beispielsweise von einer Sicherungsschicht des Übertragungsprotokolls erkannt
werden kann, sendet der Modulator/Demodulator 1' anstatt eines
ACK-Signals ein nicht gezeigtes NACK-Signal. Wenn der Modulator/Demodulator 1 dieses
Signal empfängt,
wiederholt er die Übertragung
der fehlerhaften Daten. Direkt im Anschluss an das Senden des ACK-Signals
geht der Modulator/Demodulator 1' in den Ruhebetriebszustand.
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Der
Modulator/Demodulator 1 wechselt zu einem Zeitpunkt TA
vom Ruhebetriebszustand während
eines Zeitfensters mit einer einstellbaren Dauer in den Empfangszustand
RX, um ein ACK bzw. ein NACK-Signal empfangen zu können. Hierzu
wird die Empfangseinheit in Form des rauscharmen Eingangsverstärkers 6 aktiviert.
Der Zeitpunkt TA, d.h. die zeitliche Lage bezogen auf den Sendezeitpunkt der
Daten SD, wird in Abhängigkeit
von einer vorausgeschätzten
Laufzeit des akustischen Signals zwischen dem ersten Modulator/Demodulator 1 und dem
zweiten Modulator/Demodulator 2 eingestellt. Berücksichtigt
werden hierbei die Signallaufzeiten beider Übertragungsrichtungen und gegebenenfalls eine
typische Reaktionszeit innerhalb eines jeweiligen Modulator/Demodulators.
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Im
Anschluss an die Übertragung
der Daten SD überträgt der Modulator/Demodulator 1 weitere Daten
SD2 an den Modulator/Demodulator 1'. Die Übertragung der Daten SD und
SD2 und die Rückübertragung
der Antwortdaten bzw. Quittungssignale ACK erfolgt hierbei überlappend
bzw. verschränkt, d.h.
die Daten SD2 werden gesendet, bevor die zu den Daten SD gehörende Quittung
empfangen wird.
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Nach
einem Aufwecken des Modulator/Demodulators 1' befinden sich beide Modulator/Demodulatoren 1 und 1' im Ruhezustand,
bis auf Zeitintervalle bzw. Zeitfenster, in denen Daten gesendet
bzw. empfangen werden. Ein Empfangszustand RX wird nach einem Senden
von Daten nur innerhalb von Zeitfenstern eingenommen, deren zeitliche
Lage und/oder Dauer bezogen auf den Sendezeitpunkt der Daten in
Abhängigkeit
von einer vorausgeschätzten Laufzeit
des akustischen Signals zwischen der ersten und der zweiten Datenübertragungseinheit
eingestellt wird.
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Auf
diese Weise ist eine sehr energiesparende Datenübertragung möglich.