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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines
2-FSK-Signales und
ein Funkendgerät
dafür.
Das Funkendgerät
kann typischerweise aus einem Fernmessmodul oder einem Teil davon
zur Verwendung in Fernüberwachungsanwendungen
bestehen, wie beispielsweise automatische Wassermessung.
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Stand der Technik
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Fernmessmodule
sind in Einrichtungen installiert, welche viele Jahre ununterbrochen
in Betrieb sein können,
ohne dass sie gewartet werden. Bei Fernmessmodulen, die mit Batterie
betrieben werden, ist es wünschenswert,
dass sie bis zu 10 Jahre lung zwischen den Batteriewechseln funktionieren.
Damit die Fernmessmodule derartig lange Betriebszeiten erreichen,
funktionieren sie gemäß einem
Protokoll, das Strom sparen erleichtert, während sie gleichzeitig eine
angemessene Reaktionszeit bieten. Protokolle, mit denen diese Ziele
erreicht werden, sind in verschiedenen technischen Gebieten bekannt,
wie beispielsweise digitaler Personenruf, bei dem der CCIR Funkpersonenruf
Code Nummer 1, auch als POCSAG bekannt, nun seit fast 20 Jahre benutzt
wird. Der allgemein verfolgte Lösungsansatz besteht
darin, dass sich die Funkeinheit über lange Zeiträume im „Schlafbetrieb" befindet, aber in
periodischen Abständen
aufwacht, um zu überprüfen, ob irgendwelche
Datensignale auf ihrem Kanal übertragen
werden. Der Aufwachzeitraum kann unabhängig davon eingestellt werden,
ob Signale vorhanden sind oder nicht. Bei einer Verfeinerung dieser
Art von Batteriesparprotokoll, überprüft die Funkeinheit,
wenn sie aufgeweckt worden ist, die Anwesenheit von Daten, bevor
der gesamte Empfänger
mit Strom versorgt wird, und wenn innerhalb eines Zeitraumes, der kürzer ist
als der voreingestellte Zeitraum, keine detektiert werden, schaltet
sie vorzeitig auf Strom sparen. Infolgedessen kann die Batterielebensdauer
verlängert
werden oder eine kleinere Batterie kann mit derselben elektronischen
Einrichtung verwendet werden.
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Sollte
die Funkeinheit beim Detektieren von Daten unzuverlässig sein,
besteht erstens die Wahrscheinlichkeit eines falschen Alarms (P(falscher Alarm)
oder kurz P(fa)), was als die Wahrscheinlichkeit definiert wird,
dass durch einen Datenanwesenheits detektor ein Signal sogar dann „detektiert" wird, wenn nur Geräusch vorhanden
ist, und zweitens besteht die Wahrscheinlichkeit von falscher Zurückweisung,
(P(falsche Zurückweisung
oder kurz P(fd)), die als die Wahrscheinlichkeit definiert wird,
dass der Datenanwesenheitsdetektor ein richtiges Signal zurückweist
und für
Geräusch
hält. P(fd)
ist ein kritischerer Parameter, weil jede einzelne falsche Zurückweisung von
Daten einen kompletten Verlust eines Pakets verursachen wird. Typische
Systemanforderungen lauten: P(fa) ≤ 1
% und P(fd) ≤ 0,1
%.
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Ein
schematisches Blockdiagramm eines typischen Datenanwesenheitsanzeigers
ist in
1 der beigefügten
Zeichnungen gezeigt. In
1 wird ein Signal, das von einer
Antenne
10 empfangen wird, in der Frequenz auf einer RF-Eingangsstufe
12 abwärts gewandelt.
Die Stufe
12 umfasst eine Quadraturfrequenzabwärtswandlungsstufe,
welche einen realen Ausgang I(t) und einen imaginären Ausgang
Q(t) bei einer null ZF oder niedrigen ZF bereitstellt. Diese Ausgänge werden
an jeweilige quadrierende Schaltungen
14,
16 eingegeben,
welche jeweils Ausgänge
I(t)
2 und Q(t)
2 erzeugen.
Diese Signale werden bei einer Stufe
18 addiert und die
Quadratwurzel aus der Summe wird in einer Quadratwurzelstufe
20 abgeleitet.
Der Ausgang
wird dann in eine laufende
Summenstufe
22 eingegeben. Die laufende Summe aus der Stufe
22 wird
mit einem festen Schwellenwert verglichen, der durch eine Stufe
24 in
einer Vergleichschaltung
26 erzeugt wird, wobei ein Ausgang
28 davon
eine Anzeige auf Datenanwesenheit umfasst.
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Der
Hauptzweck der dargestellten Anzeigeschaltungen besteht darin, ein
Signal von Geräusch zu
unterscheiden. Ein Nachteil dieser bekannten Schaltung liegt darin,
dass irgendwelche vorhandenen Faktoren, welche die Besonderheit
des Signales im Verhältnis
zu Geräusch
reduzieren, den Detektierungsmechanismus verlangsamen, wodurch er
vom Standpunkt des Stromverbrauchs her weniger wirtschaftlich wird.
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Die
Detektierung von FSK-Signalen ist beim Stand der Technik bekannt,
vgl. US-4,423,519 und
GB 2 144
283 .
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US-4,423,519
offenbart ein Verfahren zum Detektieren der Anwesenheit eines FSK-Signales, wobei
das Verfahren das Empfangen eines FSK-Signales umfasst, Multiplizieren
des eingehenden Signales mit einer verzögerten Version von ihm selbst, Integrieren
eines Signales, das aus der Multiplikation erhalten wird, um ein
hülldetektiertes
Signal zu erhalten und Vergleichen des hülldetektierten Signales mit einem
Schwellenwert, um ein Meldesignal erzeugen, wenn ein eingehendes
FSK-Signal vorhanden ist.
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GB 2 144 283 offenbart ein
Verfahren zum Demodulieren eines FSK-Signales, das Empfangen eines FSK-Signales
umfassend, die Frequenzabwärtswandlung
des empfangenen Signales, das Überabtasten
des analogen Signales, um quadraturabhängige digitale Abtastwerte
zu erhalten, Integrieren der phasenkorrigierten quadraturabhängigen Signale,
um die Anwesenheit oder Abwesenheit von entweder der positiven oder
negativen Frequenzverschiebung in dem empfangenen Signal zu detektieren,
und differenzielles Decodieren der Ausgangsdaten.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Detektierung
der Datenanwesenheit in dem kürzesten
Zeitraum zu optimieren, der die erforderliche minimale Zuverlässigkeit
bei gleichzeitiger Minimierung von Energieanforderungen garantiert.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Detektieren der Anwesenheit eines 2-FSK-Signales bereitgestellt,
wobei das Verfahren das Empfangen eines 2-FSK-Signales umfasst,
Quadraturfrequenzabwärtswandlung
des empfangenen Signales, um quadraturabhängige Ausgänge zu erzeugen; Überabtasten
der quadraturabhängigen
Ausgänge,
um digitale Abtastwerte zu erzeugen, differenzielle Decodierung der
digitalen Abtastwerte, um reale und imaginäre Komponenten zu erzeugen,
Integrieren der imaginären
Komponenten und Vergleichen des integrierten Wertes mit einem festen
Schwellenwert und Bestimmen eines Signales, das vorhanden sein soll,
wenn der Schwellenwert überschritten
ist.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Funkendgerät bereitgestellt,
das Mittel zum Empfangen eines 2-FSK-Signales umfasst, Mittel zur
Quadraturfrequenzabwärtswandlung,
die einen Eingang aufweisen, der mit den Signalempfangsmitteln gekoppelt
ist, und Ausgänge für quadraturabhängige Signale,
Decodierungsmittel zum Decodieren der quadraturabhängigen Signale, um
reale und imaginäre
Komponenten zu erzeugen, Mittel zum Integrieren der imaginären Komponenten, Vergleichsmittel,
die einen ersten Eingang aufweisen, der gekoppelt ist, um einen
Ausgang von den Integrierungsmitteln zu empfangen, einen zweiten
Eingang, der mit einer Erzeugungsschaltung eines Schwellenwertes
gekoppelt ist, und einen Ausgang, um eine Signalanwesenheitsanzeige
bereitzustellen, wenn der Ausgang von den Integrierungsmitteln einen
Wert überschreitet,
der durch die Erzeugungsschaltung eines Schwellenwertes erzeugt
wird.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Verbesserung des Signales im
Verhältnis
zu Geräusch,
indem das Hinzufügen
von reinem Geräusch zu
einem Datenanwesenheitsanzeiger reduziert wird, wodurch die Geschwindigkeit
für das
Bestimmen der Anwesenheit eines Signales erhöht wird, ohne den Zuverlässigkeitsgrad
zu reduzieren. Die Geschwindigkeitszunahme kann bis zu neun mal
schneller sein. Infolgedessen kann, wenn kein Signal vorhanden ist,
das Endgerät
eher abgeschaltet werden, wodurch die Batterielebensdauer verlängert wird.
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Im
Fall von 2-FSK modulierten Übertragungen
liegt die Gruppierung von decodierten Signalen vollständig im
imaginären
Zweig. Demzufolge wird das Integrieren von Daten nicht vorteilhaft
sein, die in dem realen Zweig registriert werden, da diese Daten ähnlich wie
reines Geräusch
sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert
und beschrieben, wobei:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm einer bekannten Anzeigeschaltung für Datenanwesenheit
ist, die in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung dargestellt
wurde,
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2 ein
schematisches Blockdiagramm einer Anzeigeschaltung für Datenanwesenheit
ist, das gemäß der vorliegenden
Erfindung erstellt ist, und
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3 eine
Gruppierung von 2-FSK demodulierten Daten darstellt.
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In
den Zeichnungen sind dieselben Bezugszeichen verwendet worden, um
entsprechende Merkmale darzustellen.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Der
in 2 gezeigte Empfänger kann ein unabhängiger Empfänger oder
ein Empfängerabschnitt
eines Senders/Empfängers
sein, welcher in einem Fernmessmodul enthalten ist. Zur Vereinfachung
werden beide Anordnungen als Empfänger beschrieben.
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Der
Empfänger
arbeitet gemäß einem
Batteriesparprotokoll, wobei er periodisch aus einem Schlafbetrieb
aufgeweckt wird, in welchem nur diejenigen Teile des Empfängers mit
Strom versorgt werden, die wesentlich sind, um den Empfänger in
seinem Schlafbetrieb funktionsfähig
zu erhalten.
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Eine
Antenne 10 ist mit einer Signalweiche 30 gekoppelt,
welche ersten Eingängen 32, 33 von Mischern 34, 35 ein
Eingangssignal zugeführt.
Ein Übergangsoszillator 36 ist
mit einem zweiten Eingang 38 des Mischers 34 gekoppelt,
und über
einen Quadraturphasenverschieber 37 mit einem zweiten Eingang 39 des
Mischers 35. Die Frequenz des Übergangsoszillators 36 ist
so gewählt,
dass das an der Antenne 10 empfangene Signal auf entweder
null ZF oder niedrige ZF umgesetzt wird. Der Ausgang von dem Mischer 34 ist
als das phasengleiche Signal I(t) bezeichnet und der Ausgang von
dem Mischer 35 ist als das Quadraturphasensignal Q(t) bezeichnet.
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Die
phasengleichen Signale I(t) und Quadraturphasensignale Q(t) werden
jeweils in Tiefpassfiltern 40, 41 und Analog-/Digitalumwandlern
(ADC) 42, 43 gefiltert und digitalisiert. Die
ADC 42, 43 überabtasten
die Signale I(t) und Q(t) und die Abtastwerte werden einem Differentialdecoder 44 eingegeben. Wenn
beispielsweise die Datenrate 150 Bits/s und die Abtastfrequenz 76,8
kHz beträgt,
dann beträgt
die Überabtastrate 512 Abtastwerte
pro Bit. Der Differentialdecoder 44 ist von vorbekannter
Bauart und umfasst einen komplexen Signalkombinator 46,
der einen ersten Ausgang aufweist, welcher über eine Verzögerungsstufe 48 und
eine konjugiert-komplexe Stufe 50 mit einem ersten Eingang
eines Vervielfachers 52 gekoppelt ist, und einen zweiten
Ausgang, der direkt mit einem zweiten Eingang des Vervielfachers 52 gekoppelt
ist. Ein Ausgang des Vervielfachers 52 wird an eine komplexe
reale und imaginäre Stufe 54 angelegt,
welche einen realen Ausgang Re und einen imaginären Ausgang Im liefert, und
zwar beide bei der überabgetasteten
Rate.
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Indem
für einen
Augenblick auf 3 Bezug genommen wird, besteht
das Hauptziel einer zu beschreibenden Anzeigeschaltung für Datenanwesenheit
(DPI) darin, Signal von Geräusch
zu unterscheiden. Um die DPI-Schaltung im Fall von 2-FSK modulierten Übertragungen
effizienter zu machen, werden die über die Gruppierung verfügbaren Informationen verwendet,
die für
das demodulierte digitale Signal erwartet werden. Wie in 3 gezeigt,
liegt die Gruppierung der decodierten Signale vollständig auf
dem imaginären
Zweig Im. Sofern es sich um 2-FSK handelt, ist demzufolge das Integrieren
der Daten nicht vorteilhaft, die auf dem realen Zweig Re registriert werden,
was reinem Geräusch ähnlich ist.
Wenn der Beitrag von dem realen Zweig unberücksichtigt gelassen wird, wird
die Geschwindigkeit des Detektierungsvorgangs um zwischen 2 bis
8,5 mal erhöht, verglichen
mit dem unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen
Verfahren.
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Wieder
unter Bezugnahme auf 2 wird der überabgetastete imaginäre Ausgang
Im der DPI-Schaltung zugeführt,
insbesondere einer Absolutwertstufe 56. Der Ausgang der
Stufe 56 wird in eine laufende Summenstufe 58 integriert.
Ein Ausgang der Stufe 58 wird an einen ersten Eingang einer Vergleichsschaltung 26 angelegt,
in welcher er mit einer festen Schwellenspannung verglichen wird,
die in einer Schwellenwertstufe 24 erzeugt wird. Wenn die laufende
Summe die Schwellenspannung überschreitet,
wird eine Datenanwesenheitsanzeige an einem Ausgang 28 bereitgestellt,
aber wenn die Schwellenspannung nicht überschritten wird, dann schaltet
die Vergleichsschaltung 26 ab.
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Die
in 2 gezeigte Schaltung ist nicht nur schneller als
bekannte Schaltungen, es ist außerdem berechnet
worden, dass bis zu 2 ½ Jahre
zusätzliche Batterielebensdauer
ausschließlich
durch die Anzeigeschaltung für
Datenanwesenheit gewonnen werden können.
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Als
Option enthält
die Schaltung Algorithmen zur Frequenzkompensation, welche die Empfindlichkeit
gegenüber
Frequenzversätzen
reduzieren können
und die Signalgruppierung vor dem Rotieren bewahren können, wodurch
ein Teil der Daten auf den realen Weg übertragen wird.
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In
der vorliegenden Beschreibung und in den Patentansprüchen schließt das Wort „ein" vor einem Element
nicht das Vorhandensein einer Vielzahl derartiger Elemente aus.
Des Weiteren schließt
das Wort „umfassend" nicht das Vorhandensein
von anderen Elementen oder Schritten als die aufgezählten aus.
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Für die Fachleute
werden durch die Lektüre der
vorliegenden Offenbarung weitere Modifizierungen offensichtlich
werden. Derartige Modifizierungen können weitere Merkmale einschließen, welche schon
in der Gestaltung, Herstellung und Verwendung von Empfängern bekannt
sind, die eine Anzeigestufe für
Datenanwesenheit und Bauteilelemente dafür aufweisen und die anstelle
oder zusätzlich
zu schon hier beschriebenen Merkmalen verwendet werden können.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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- Datensignaldetektierung für Kommunikationsgeräte und dergleichen.