DE4001265C2 - Verfahren und Einrichtung zum Empfang digitaler Informationen über Stromversorgungsnetze - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zum Empfang digitaler Informationen über Stromversorgungsnetze

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Übertragung digitaler Informationen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, also eine Informationsübertragung über ein Stromversorgungsnetz und Anwendung einer Bandspreiztechnik mit pseudozufälliger Frequenzsprungmodulation und einer Synchronisation mit der Netzfrequenz als Referenz, ist aus der EP-A2 0 200 016 bekannt.
Es ist bekannt, zur Informationsübertragung über Strom­ versorgungsnetze Systeme mit schmalbandiger oder auch mit breitbandiger, bandspreizender Modulation einzusetzen. Das Problem der Empfängersynchronisation läßt sich bei bandspreizenden Nachrichtenübertragungssystemen, die an Stromversorgungsleitungen arbeiten, mit Hilfe der Netz­ wechselspannung zwar einfach und kostengünstig lösen, zur perfekten Trennung einer Vielzahl von Signalen mit eng benachbarten Frequenzen in einem Bandspreizsystem mit pseudozufälliger Frequenzsprungmodulation zur Übertragung digitaler Informationen über Stromversorgungsleitungen ist aber eine signalangepaßte Filterung notwendig. Dies erfordert einen sehr hohen Aufwand und verursacht enorme Kosten, so daß dadurch die breite Einführung solcher Systeme bisher verhindert wurde, obwohl ein Anwendungs­ bedarf gegeben ist.
Die hohen Anforderungen, die an Einrichtungen zum optimalen, signalangepaßten Empfang frequenzsprungmodulierter Band­ spreizsignalformen bei der störsicheren Übertragung digitaler Informationen über Stromversorgungsleitungen gestellt werden, verdeutlicht das folgende Systembeispiel:
Ausgangspunkt der Betrachtungen ist die Übertragung binärer Informationen mit schnellen Frequenzsprüngen, d. h. während der Dauer TB eines Datenbits wird die Sendefrequenz sprung­ artig n-mal gewechselt, mit n=3,5,7... Je größer n gewählt wird, umso störresistenter erfolgt die Informationsüber­ tragung. Bei fester Datenrate rD=1/TB ist n durch die verfügbare Bandbreite B einerseits und durch die Grenzen der Präzision bei der Synchronisation andererseits be­ schränkt. Auf Stromversorgungsleitungen ist das für Infor­ mationsübertragung verfügbare Frequenzband durch Vor­ schriften der Deutschen Bundespost auf 30 kHz bis 146 kHz festgelegt; daraus ergibt sich die verfügbare Bandbreite B=116 kHz.
Wenn beispielsweise binäre Informationen mit einer Daten­ rate (Bitrate)rD=60 bit/s mittels Frequenzsprungverfahren zu übertragen sind, wobei n=5 Frequenzsprünge während einer Datenbitdauer TB erfolgen soll, dann ist die Frequenz­ sprungrate h=300 s-1. Der Kehrwert T=1/h der Frequenzsprung­ rate gibt die Dauer des Zeitintervalls an, während dessen jeweils eine der n Frequenzen gesendet wird.
Die Nachrichtentheorie besagt, daß in einem Frequenzband der Breite B=116 kHz bei der Frequenzsprungrate h=300 s-1 maximal eine Anzahl N=INT { B/h } =INT { 116 000/300 } =386 Signale mit jeweils um 300 Hz versetzter Frequenz gleichzeitig übertragen und ohne gegenseitige Störbeein­ flussung von Empfängern, die mit signalangepaßten Filtern ausgestattet sind, fehlerfrei detektiert werden können. (INT { · } bedeutet ganzzahliger Anteil von { · } ).
An den Leitungen eines Stromnetzes, z. B. in einem weit­ läufigen Gebäude, könnten entsprechend obigem Beispiel maximal N/2=193 Übertragungskanäle mit einer Datenrate von je 60 bit/s gleichzeitig aktiv sein, ohne gegenseitige Störbeeinflussung. Entscheidende Voraussetzung dafür ist eine hochpräzise Signalerzeugung und das genaue Einfügen der Sendesignale aller Sender in ein globales Zeitraster auf der Sendeseite und eine entsprechend präzise Signal­ verarbeitung mittels signalangepaßter Filter in jedem Empfänger. Die empfängerseitige Signalverarbeitung bei einem Bandspreizsystem verlangt grundsätzlich eine Synchronisation eines lokal im Empfänger vorhandenen Spreizungsfunktionsgenerators (im Fall der Frequenzsprung­ modulation ist das ein Frequenzsynthesizer) mit der im Empfangssignal enthaltenen Spreizungsfunktion. Das ist notwendig, um die senderseitig durchgeführte spektrale Verteilung der Information auf ein breites Frequenzband wieder rückgängig zu machen.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein Verfahren zum Empfang digitaler Informationen über Stromversorgungs­ netze sowie eine Einrichtung zur Anwendung dieses Ver­ fahrens zu schaffen, das diesen Anforderungen gerecht wird. Vor allem soll erreicht werden, daß Störungen auf den Stromversorgungsleitungen keinen ungünstigen Einfluß ausüben und daß trotz der widrigen Übertragungseigenschaften dieser Leitungen eine zuverlässige Kommunikation möglich ist. Des weiteren soll die gleichzeitige Aktivität vieler solcher Übertragungssysteme am selben Stromnetz ohne gegen­ seitige Störbeeinflussung gewährleistet sein, so daß auf einfache und kostensparende Weise eine Übermittlung digi­ taler Informationen über Stromversorgungsleitungen inner­ halb oder außerhalb von Gebäuden, vorwiegend auf der Niederspannungsebene bewerkstelligt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
Den weiteren Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entnehmen.
Die Empfangseinrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Umschaltvorrichtung und einen an diese und das Stromversorgungsnetz angeschlossenen synchronisierten digitalen Frequenzsynthesizer, mittels der das Empfangssignal derart mit Phasensprüngen zu versehen ist, daß bei der jeweils erwarteten Empfangsfre­ quenz ein Signal mit möglichst großem Mittelwert am Ausgang der Umschaltvorrichtung auftritt und einen mit der Umschaltvorrichtung verbundenen synchronen spannungsge­ steuerten Oszillator sowie ein an diesen zur Weiterver­ arbeitung des Ausgangssignals angeschlossene Digitalschaltung.
Die an dem Oszillator angeschlossene Digitalschaltung kann in einfacher Ausgestaltung aus einem Zähler mit angeschlos­ senem Latch bestehen und die Übernahme des Zählerstandes in das Latch kann von einer digitalen Rechen- und Steuer­ einheit, z. B. einem Mikrocontroller oder einem Mikro­ prozessor, veranlaßt werden.
Ferner ist es angebracht, den Frequenzsynthesizer aus einem programmierbaren Adreßzähler mit fester Taktfrequenz und einem Abtastwertespeicher, zwei Digital/Analogwandlern mit nachgeschalteten Tiefpässen und Komparatoren sowie zwei digitalen Frequenzteilern und die Umschaltvorrichtung aus mindestens aus je einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Operationsverstärker zu bilden.
Mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Empfangs­ einrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens ist es möglich, über Stromversorgungsleitungen eine zuverlässige Kommuni­ kation herzustellen und digitale Informationen auf der Niederspannungsebene innerhalb und außerhalb von Gebäuden zu empfangen, ohne daß Störungen auf den Stromversorgungs­ leitungen die Information verfälschen. Vielmehr wird durch die signalangepaßte Filterung frequenzsprungmodu­ lierter Bandspreizsignalformen ein störungsfreier Empfang gewährleistet. Auch ist die gleichzeitige Aktivität mehre­ rer derartiger Informationsübertragungseinrichtungen am gleichen Stromnetz ohne gegenseitige Beeinflussung möglich. Und da der Material- und Fertigungsaufwand der Empfangs­ einrichtung gering ist, ist auch eine kostengünstige Herstellung in großen Stückzahlen zu bewerkstelligen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der gemäß der Erfindung ausgebildeten Einrichtung zum Empfang digitaler Informationen über ein Stromversorgungsnetz dargestellt, das nachfolgend im einzelnen erläutert ist. Hierbei zeigt, jeweils in einem Blockschaltbild:
Fig. 1 die Empfangseinrichtung und
Fig. 2 den Aufbau des bei der Empfangseinrichtung nach Fig. 1 vorgesehenen Frequenzsynthesizers.
Bei der in Fig. 1 dargestellten und mit 1 bezeichneten Einrichtung zum Empfang digitaler Informationen über ein Stromversorgungsnetz 10 wird das dieser über eine Leitung 12 entnommene Empfangssignal über eine Koppeleinrichtung 13 und eine Vorrichtung 14 zur automatischen Verstärkungs­ regelung einer Umschaltvorrichtung 11 zugeführt wird, die mit einem Schaltsignal aus einem mit der Netzwechselspannung synchronisierten digitalen Frequenzsynthesizer 28 das Empfangssignal so mit 0/180° -Phasensprüngen versieht, daß bei der jeweils erwarteten Empfangsfrequenz ein Signal mit möglichst großem Mittelwert (Gleichanteil) am Ausgang 16 der Umschaltvorrichtung 11 auftritt. Eine wesentliche Vor­ aussetzung dabei ist, daß die Frequenz des Schaltsignals mit der Frequenz des gerade zu empfangenden Signals möglichst exakt übereinstimmt.
Die Synchronisation des über eine Leitung 29 mit der Umschalt­ vorrichtung 11 verbundenen Frequenzsynthesizers 28 mittels Netzwechselspannung sorgt dafür, daß zum richtigen Zeitpunkt von diesem ein Schaltsignal mit der gerade erwarteten Empfangsfrequenz bereitgestellt wird. Die Synchronisation erfolgt über eine digitale Rechen- und Steuereinheit 23, der vom einen Nulldurchgangsdetektor 30, der über eine Leitung 31 an die Stromversorgungsleitung 10 und über eine Leitung 32 an die Rechen- und Steuereinrichtung 23 angeschlossen ist, eine Impulsfolge zugeführt wird, die die Nulldurchgänge der Netzwechselspannung markiert.
Die Umschaltvorrichtung 11 besteht aus je einem invertieren­ den und einem nichtinvertierenden Operationsverstärker, denen das Empfangssignal über eine Leitung 15 zugeführt wird. Die Ausgangssignale der beiden Operationsverstärker werden mittels Analogschaltern nach Maßgabe des Schaltsignals vom Frequenzsynthesizer 28 abwechselnd auf den Eingang eines synchronen spannungsgesteuerten Oszillators 17 geführt, dessen Ausgangsimpulse über die Leitung 18 an einen Zähler 19 mit über eine Leitung 20 angeschlossenem Latch 21 gelangen. Synchrone spannungsgesteuerte Oszillatoren zeichnen sich gegenüber gewöhnlichen spannungsgesteuerten Oszillatoren durch besonders hohe Linearität und das Fehlen störender Drifteffekte aus; sie benötigen ein externes Taktsignal. Ein solches Taktsignal wird dem Oszillator 17 von der digitalen Rechen- und Steuereinheit 23 zugeführt.
Die Ausgangsimpulse des Oszillators 17 werden im Zähler 19 über ein festes Zeitintervall der Dauer T=TB/n, während dessen ein Signal fester Frequenz empfangen wird, auf­ summiert. Am Ende eines solchen Zeitintervalls veranlaßt die Rechen- und Steuereinheit 23 die Übernahme des Zähler­ standes des Zählers 19 in das Latch 21 und das Rücksetzen des Zählers 19. Dann wird von der Rechen- und Steuereinheit 23 der Wechsel der Frequenz des digitalen Frequenzsynthe­ sizers 28 veranlaßt, und die Umschaltvorrichtung 11 erhält ein Schaltsignal mit der neuen, jetzt erwarteten Empfangs­ frequenz. Anschließend liest die Rechen- und Steuereinheit 23, die über Leitungen 24 und 26 mit dem Oszillator 17 bzw. dem Frequenzsynthesizer 28 verbunden ist und der über eine Leitung 25 Nachrichten zu entnehmen sind, den Inhalt des Latchs 21 zur Ermittlung der empfangenen Nach­ richt. Gemäß obigem Beispiel ist der Ablauf von n=5 Inter­ vallen der Dauer T abzuwarten - entsprechend einer Bitdauer TB - bis eine Entscheidung, ob ein 0- oder ein 1-Datenbit empfangen wurde, gefällt werden kann.
Der Aufbau aus Umschaltvorrichtung 11, Oszillator 17, Zähler 19 und Latch 21 stellt im Zusammenwirken mit dem Frequenzsynthesizer 28 und der Rechen- und Steuereinheit 23 ein signalangepaßtes Filter für pseudozufällig frequenz­ sprungmodulierte Bandspreizsignale dar.
Im Fall der Übertragung binärer Informationen (0- oder 1-Datenbit) ist es erforderlich, zwei der beschriebenen Empfangszweige, bestehend aus Umschaltvorrichtung 11, Frequenzsynthesizer 28, Oszillator 17, Zähler 19 und Latch 21 gleichzeitig zur Verfügung zu haben. Die Kompo­ nentenkoppeleinrichtung 13, Vorrichtung 14, Rechen- und Steuereinheit 23 und Nulldurchgangsdetektor 30 sind nur einmal nötig.
In den beiden Empfangszweigen werden gleichzeitig zwei verschiedenfrequente Empfangssignale in jedem Zeitintervall der Dauer T beobachtet, indem im 1-bit-Empfangszweig der zugehörige Frequenzsyntesizer im Laufe einer Daten­ bitdauer TR=n.T nacheinander Schaltsignale mit den n einem 1-bit zugeordneten Frequenzen an die zugehörige Umschaltvorrichtung liefert, während im 0-bit-Empfangszweig die entsprechende Prozedur für ein 0-bit abläuft. Am Ende eines jeden Zeitintervalls der Dauer T werden die Inhalte der Latches von 1-bit-Zweig und 0-bit-Zweig in der Rechen- und Steuereinheit 23 miteinander verglichen und es wird entschieden, ob gerade ein Signal mit einer Frequenz zugehörig zu einem 1-bit oder zu einem 0-bit empfangen wurde. Ausschlaggebend ist dabei - z. B. bei Darstellung der Zahlen im Zweierkomplement - der betrags­ mäßig höhere Latchinhalt.
Der von der Rechen- und Steuereinheit 23 über eine Leitung 22 eingelesene Latchinhalt kann zur adaptiven Verstär­ kungsregelung mit Hilfe der Vorrichtung 14, einer AGC- Schaltung, ausgewertet werden. Dazu wird bei jeder Empfangs­ frequenz ein Vergleich des tatsächlich erreichten Zähler­ standes, eingelesen über Latch 21 mit dem maximal möglichen Zählerstand durchgeführt, und daraus eine Regelgröße er­ mittelt, die der AGC-Schaltung von der Rechen- und Steuer­ einheit 23 über eine Leitung 27 jeweils vorab für jede einzelne der erwarteten Empfangsfrequenzen individuell zugeführt wird. Auf diese Weise kann nach einer gewissen "Lernphase" eine Ebnung des recht bizarren Übertragungs­ frequenzganges von Stromversorgungsnetzen erreicht werden. Die effektive Empfängerdynamik wird so wesentlich verbessert.
Zur Nachrichtengewinnung im Empfänger kann die Entscheidung auf 0- oder 1-Datenbit nach der Zeit n.T=TB als einfache Mehrheitsentscheidung getroffen werden, d. h. für das obige Beispiel mit n=5 fällt die Entscheidung auf dasjenige Datenbit, für das in mindestens 3 Teilintervallen der Dauer T der höhere Zählerstand erreicht wurde. Diese Entscheidungsstrategie bezeichnet man als "harte Entscheidung".
Bei einer anderen Ausgestaltung werden alle Latchinhalte, die während einer Datenbitdauer TB aufgetreten sind, in der Rechen- und Steuereinheit 23 betragsmäßig jeweils für 0- und 1-bit-Zweig getrennt aufaddiert und die Bitentscheidung wird anhand der beiden sich ergebenden Summen gefällt. Man spricht in diesem Fall von "weicher Entscheidung".
Mit "weicher Entscheidung" kann an manchen Stromnetzen eine erheblich höhere Störresistenz im Vergleich zu einer "harten Entscheidung" erzielt werden. Diese Erkenntnisse können jedoch nicht verallgemeinert werden. Die Erfindung gestattet deshalb in vorteilhafter Weise die gleichzeitige Implementierung beider Entscheidungsstrategien, z. B. durch entsprechende Programmierung der Rechen- und Steuereinheit 23, mit der Möglichkeit der Umschaltung zwischen den Strategien durch ein einfaches Steuersignal an einem Eingangspin der Rechen- und Steuereinheit 23.
Die Empfangseinrichtung 1 kann nur bei kohärentem Empfang optimal arbeiten. An Stromversorgungsnetzen ist dieser Fall nicht gegeben; man hat dort generell inkohärenten Empfang, d. h. die Phasenlage des Empfangssignals schwankt zufällig aufgrund unvorhersagbarer Einflüsse, wie z. B. Zu- oder Ab­ schalten von Verbrauchern am Stromnetz. Als Folge der Inkohärenz erhöht sich der Empfängeraufwand, weil nun je­ weils im 0- und im 1-Datenbit-Zweig eine weitere Umschalt­ vorrichtung 11 mit nachgeschaltetem Oszillator 17 sowie Zähler 19 und Latch 21 vorzusehen ist. Für jeden der beiden Datenbit-Zweige ist also ein sogenannter Inphase- und ein sogenannter Quadraturkanal nötig. Nach Ablauf eines jeden Zeitintervalls der Dauer T, während dessen ja bekannt­ lich eine konstante Frequenz - entweder zu einem 1- oder zu einem 0-Datenbit gehörig - gesendet wird, ist jetzt in jedem der Datenbit-Zweige der Inhalt der beiden Latches von Inphase- und Quadraturkanal geometrisch zu addieren.
Die jetzt zweifach in 1- oder 0-Datenbit-Zweig vorhandenen Umschaltvorrichtungen benötigen vier verschiedene Schalt­ signale von vier Frequenzsynthesizern. Und zwar müssen die Frequenzen der Schaltsignale den jeweils gerade im 1- und 0-Datenbit-Zweig erwarteten Empfangsfrequenzen entsprechen, und für jeden der beiden Zweige müssen die Schaltsignale in Sinus- und Cosinuslage bereitstehen, d. h. exakt eine 90°-Phasenverschiebung zueinander aufweisen.
Die sich daraus ergebende aufwendige Schaltsignalerzeugungs­ aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch einen einzigen digitalen Frequenzsynthesizer 41, für den ein Ausführungs­ beispiel in Fig. 2 dargestellt ist, gelöst. Ein program­ mierbarer Adreßzähler 42 erhält eine feste Taktfrequenz, die der 8-fachen Abtastrate der zu synthetisierenden Signale entspricht. Nach dem aus der Nachrichtentheorie bekannten Abtasttheorem muß die Abtastrate mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste zu synthetisierende Frequenz, d. h. bei der maximal erlaubten Sendefrequenz von 146 kHz würde 300 kHz als Abtastfrequenz genügen. Es ist allerdings zur Verringerung des Filteraufwandes nach der Digital/Analog­ wandlung vorteilhaft, die Abtastfrequenz höher als den Mindestwert zu wählen. Ein Wert von 500 kHz hat sich in der Praxis bewährt. Der Takt für den programmierbaren Adreßzähler 42 ist dann 4 MHz - ein Wert, der üblichen preisgünstigen Zähler- und Speicherbausteinen keine Probleme bereitet.
Der programmierbare Adreßzähler 42 erhält ferner über ein Steuerleitungsbündel 45 Steuersignale, z. B. von der Rechen- und Steuereinheit 23, mit denen die Startadresse des auszulesenden Speicherbereiches eines Abtastwerte­ speichers 43 vorgegeben und mit denen der Auslesevorgang gestartet wird. Außerdem ist an den Adreßzähler 42, der über ein Leitungsbündel 46 mit dem Abtastwertespeicher 43 verbun­ den ist, über eine Leitung 44 ein Taktgeber angeschlossen. Das Ende des auszulesenden Speicherbereiches wird dem programmierbaren Adreßzähler 42 von dem Abtastwertespeicher 43 mittels einer Steuerleitung 47 signalisiert. Dadurch wird der programmierbare Adreßzähler 42 wieder mit der Start­ adresse des gerade aktuellen Speicherbereiches geladen, und dieser Zyklus wird solange fortgesetzt, bis ein Frequenz­ wechsel, der das Auslesen eines anderen Speicherbereiches erfordert, durchgeführt wird. Dazu wird über das Steuer­ leitungsbündel 45 die neue Startadresse an den programmier­ baren Adreßzähler 42 übermittelt.
Das Besondere an der Ausgestaltung nach Fig. 2 ist, daß aus dem Abtastwertespeicher 43 abwechselnd je ein Abtastwert zugehörig zu der gerade im 1-Datenbit-Zweig erwarteten Frequenz und zugehörig zu der gerade im 0-Datenbit-Zweig erwarteten Frequenz ausgelesen wird. Das Auslesen erfolgt mit einer 8-fach erhöhten Auslesetaktfrequenz, z. B. mit 4 MHz. Die ausgelesenen Abtastswerte werden von einem Demulti­ plexer 50, der über ein Leitungsbündel 49 mit dem Abtast­ wertespeicher 43 verbunden ist, abwechselnd auf zwei darge­ stellte, gleichartig aufgebaute Zweige verteilt, so daß die Abtastwerte am Eingang dieser Zweige nur noch mit 4-fach erhöhter Abtastfrequenz und getrennt nach 1- und 0-Datenbit- Zweig vorliegen. Der Demultiplexer 50 wird in vorteilhafter Weise mit dem niederwertigsten Bit der Adresse des Abtast­ wertspeichers 42 über eine Leitung 48 gesteuert. Die Abtast­ werte gelangen jetzt in den beiden Zweigen auf Latches 51 und 51′, deren Ausgänge auf Digital/Analogwandler 52 und 52′ mit nachfolgenden Tiefpässen 53 und 53′ führen. An den Ausgängen der Tiefpässe 53, 53′ liegen nun sinus­ förmige Signale mit jeweils dem Vierfachen der gerade in 1- und 0-Datenbit-Zweig erwarteten Empfangsfrequenzen.
An die Tiefpässe 53, 53′ sind Komparatoren 54 und 54′ angeschlossen, die die sinusförmigen Signale in Rechteck­ signale gleicher Frequenz, z. B. mit TTL-Pegel umwandeln. Auf diese Komparatoren 54, 54′ folgen digitale Frequenz­ teiler 55 und 55′ mit je einem Eingang und zwei Ausgängen 56, 57 und 56′ und 57′. Die Frequenzteiler 55, 55′ teilen die Eingangsfrequenz jeweils durch vier und liefern an ihren Ausgängen 56, 57, 56′, 57′ jeweils zwei gegeneinander um 90° phasenversetzte Rechtecksignale, die jetzt in ihren Frequenzen mit den in 1- und 0-Datenbit-Zweig erwarteten Empfangsfrequenzen übereinstimmen und die somit als Schalt­ signale für die vier weiter oben beschriebenen Umschalt­ vorrichtungen bereitstehen.
Die Frequenzteiler 55 und 55′ werden vorteilhaft aus drei Toggle-Flip-Flops aufgebaut, wobei das erste der drei Flip-Flops die Eingangsfrequenz durch zwei teilt und an seinem nichtnegierten und an seinem negierten Ausgang zwei um 180° zueinander phasenverschobene Rechtecksignale der halben Eingangsfrequenz bereitstellt. Diese Rechteck­ signale gelangen nun jeweils auf den Eingang eines der beiden weiteren Toggle-Flip-Flops. An den Ausgängen dieser beiden Flip-Flops stehen jetzt die gewünschten, exakt um 90° zueinander phasenversetzten Schaltsignale bereit.

Claims (12)

1. Verfahren zur Übertragung digitaler Informationen mit pseudozufälliger Frequenzsprungmodulation über ein Stromversorgungsnetz und Synchronisation mit der Netzfrequenz als Referenz, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) das Empfangssignal in wenigstens einem Datenbit-Zweig mit Hilfe von zwei Umschaltvorrichtungen (11) mit Phasensprüngen versehen wird, wobei zur Umschaltung zwei Schaltsignale mit der jeweils erwarteten Empfangsfrequenz verwendet werden, die 90° in der Phase versetzt sind, und die mit Hilfe wenigstens eines digitalen Frequenzsynthesizers (28, 41) gebildet werden,
  • b) die Ausgangssignale der Umschaltvorrichtungen (11) jeweils einem synchronen spannungsgesteuerten Oszillator (17) zugeführt werden, dessen Ausgangsimpulse jeweils in einem Zähler (19) über ein festes Zeitintervall (T) aufaddiert werden,
  • c) nach Ablauf des Zeitintervalls (T) die Zählerstände geometrisch addiert und zur Bit-Entscheidung in einer aus Latches (21) und einer digitalen Rechen- und Steuereinheit (23) gebildeten Digitalschaltung weiterverarbeitet werden, und
  • d) die Zähler (19) nach dem Lesen jeweils zurückgesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählerstände der Zähler (19) jeweils in ein Latch (21) übernommen und von dort durch die digitale Rechen- und Steuereinheit (23) ausgelesen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (11) mit nachgeschaltetem synchronem spannungsgesteuertem Oszillator (17), Zähler (19) und Latch (21) beim Empfang binärer Nachrichten jeweils für einen 0- und einen 1-Datenbit-Zweig vorge­ sehen ist, daß der digitale Frequenzsynthesizer (28) jeweils für den 0- und für den 1-Datenbit-Zweig ver­ schiedenfrequente Schaltsignale liefert und daß die digitale Rechen- und Steuereinheit (23) die über die Latches (21) eingelesenen Zählerstände vergleicht und entscheidet, ob ein Signal mit einer Frequenz zu einem 0- oder zu einem 1-Datenbit gehörig empfangen wurde.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für inkohärenten Empfang binärer Nachrichten jeweils im 0- und im 1-Datenbit-Zweig je eine weitere Umschalt­ vorrichtung (11) mit nachgeschaltetem synchronem spannungs­ gesteuertem Oszillator (17), Zähler (19) und Latch (21) vorgesehen ist, und daß der Frequenzsynthesizer (28) dem 0- und dem 1-Datenbit-Zweig je zwei Schaltsignale passender Frequenz, und zwar jeweils in Sinus- (Inphase-) und Cosinuslage (Quadraturlage) zuführt, und daß die Rechen- und Steuereinheit (23) die eingelesenen Zähler­ werte für den 0- und für den 1-Datenbit-Zweig zunächst geometrisch addiert und dann durch Vergleich dieser Summen entscheidet, ob eine Frequenz zu einem 0- oder zu einem 1-Datenbit gehörig empfangen wurde.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur digitalen Frequenzsynthese bei inkohärentem Empfang binärer Informationen ein programmierbarer Adreß­ zähler (42) mit fester Taktfrequenz und ein Abtastwert­ speicher (43) in Form eines ROM, PROM, EPROM; EEPROM oder RAM eingesetzt wird, daß aus dem Abtastwertespeicher (43) abwechselnd Abtastwerte von Signalen mit der vier­ fachen Frequenz zugehörig zum 0-Datenbit-Zweig und mit der vierfachen Frequenz zugehörig zum 1-Datenbit- Zweig ausgelesen werden, und daß die Abtastwerte abwech­ selnd zwei Digital/Analogwandlern (52, 52′) mit nachge­ schalteten Tiefpässen (53, 53′) und daran anschließenden Komparatoren (54, 54′) zugeführt werden, wobei die Komparatoren (54, 54′) die ihnen zugeführten sinusför­ migen Signale in Rechtecksignale gleicher Frequenz umwandeln und die Frequenzen der Rechtecksignale an­ schließend in digitalen Frequenzteilern (55, 55′) mit zwei Ausgängen (56, 57, 56′, 57′) so durch vier geteilt werden, daß an den beiden Teilerausgängen für den 0-Datenbit-Zweig und für den 1-Datenbit-Zweig jeweils zwei Signale mit einem Phasenversatz von 90° zueinander als Schaltsignale für die Umschaltvorrichtungen (11) im Inphase- und Quadraturkanal sowohl des 0- als auch des 1-Datenbit-Zweiges zur Verfügung stehen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzteiler (55, 55′) vorzugsweise aus je drei Toggle-Flip-Flops aufgebaut ist, wobei jeweils das erste der drei Flip-Flops die Frequenz des vom Komparator (54, 54′) kommenden Rechtecksignals durch zwei teilt und eines der beiden folgenden Flip-Flops von dem nichtnegierten und das andere von dem negierten Ausgang des ersten Flip-Flops getaktet wird, so daß an den Ausgängen dieser beiden Flip-Flops um 90° phasenver­ setzte Rechtecksignale auftreten, die die Umschaltvor­ richtungen (11) jeweils in Inphase- und Quadraturkanal mit den erforderlichen Schaltsignalen versorgen.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (11) mindestens aus je einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Operationsverstärker besteht, denen das Empfangssignal zugeführt wird und deren Ausgangssignale mittels Analog­ schaltern nach Maßgabe des Schaltsignals vom digitalen Frequenzsynthesizer (28) abwechselnd auf den Eingang des synchronen spannungsgesteuerten Oszillators (17) gegeben werden.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Stromversorgungsnetz (10) entnommene Empfangssignal über einen analog oder digital in seiner Verstärkung einstellbaren Verstärker (14) geführt wird, dessen Verstärkung adaptiv jeweils vorab für die einzelnen Empfangsfrequenzen derart eingestellt wird, daß sich eine möglichst gleichgroße Signalamplitude bei den erwarteten Empfangsfrequenzen ergibt, indem die Rechen- und Steuereinheit (23) die Regelgröße für die Verstärkungseinstellung bei jeder Empfangsfrequenz jeweils aus dem Vergleich der tatsächlich erreichten Zählerstände mit den maximal möglichen Zählerständen errechnet und dem regelbaren Verstärker (14) zuführt, mit dem Ziel, den Empfänger möglichst weit auszusteuern.
9. Einrichtung zum Empfang digitaler Informationen, die mit pseudozufälliger Frequenzsprungmodulation über ein Stromversorgungsnetz (10) übertragen werden, wobei Mittel (23, 30) vorhanden sind, die eine Synchronisation mit der Netzfrequenz als Referenz durchführen, gekennzeichnet durch
  • a) wenigstens einen digitalen mit der Nutzfrequenz synchronisierten Frequenzsynthesizer (28, 41), der Schaltsignale für jeweils zwei Umschalteinrichtungen (11) liefert, die in mindestens einem Datenbits-Zweig angeordnet sind, wobei ein Empfangssignal mit Hilfe der Umschalteinrichtungen (11) und gesteuert durch die Schaltsignale, die 90° in der Phase versetzt sind, derart mit Phasensprüngen versehen wird, daß bei der jeweils erwarteten Empfangsfrequenz ein Signal mit möglichst großem Mittelwert (Gleichanteil) am Ausgang (16) der Umschalteinrichtung (11) auftritt,
  • b) der Ausgang (16) der Umschalteinrichtungen (11) mit jeweils einem synchronen, spannungsgesteuerten Oszillator (17) verbunden ist, dessen Ausgangssignale in einer nachgeschalteten Digitalschaltung (19, 21, 23) mit jeweils einem Zähler (19) über ein festes Zeitintervall (T) aufaddiert werden und
  • c) eine digitale Rechen- und Steuereinheit (23) als Teil der Digitalschaltung angeordnet ist, die bewirkt, daß jeweils nach Ablauf des Zeitintervalls (T) die Zählerstände geometrisch addiert und zur Bit-Entscheidung weiter verarbeitet werden, und jeweils die Zähler (19) nach dem Lesen rückgesetzt werden.
10. Empfangseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an die Zähler (19) jeweils ein Latch (21) angeschlossen ist und eine Übernahme des jeweiligen Zählerstandes in das Latch (21) durch die vorzugsweise als Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführte digitale Rechen- und Steuereinheit (23) veranlaßt wird.
11. Empfangseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzsynthesizer (41) aus einem programmier­ baren Adreßzähler (42) mit fester Taktfrequenz und einem Abtastwertespeicher (43), zwei Digital/Analog­ wandlern (52, 52′) mit nachgeschalteten Tiefpässen (53, 53′), zwei Komparatoren (54, 54′) sowie zwei digi­ talen Frequenzteilern (55, 55′) besteht.
12. Empfangseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (11) mindestens aus je einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Operationsverstärker und mindestens einem Analogschalter besteht.
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