總線系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)處理單元（20）之間通過由兩條信號線路組成的總線（14）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€系統(tǒng)，其中所述總線（14）上的信號是模擬信號，所述模擬信號位于多個分派給各個數(shù)據(jù)處理單元（20）的不重疊的頻帶內(nèi)，其中所述數(shù)據(jù)處理單元（20）借助數(shù)字通信協(xié)議與信號處理器單元（24）通信，所述信號處理器單元包括多相濾波器組，D/A轉(zhuǎn)換器（26）和總線耦合單元（30）連接在所述多相濾波器組之后，以便電絕緣地將有用信號耦合輸入到所述總線（14）中。所提出的總線系統(tǒng)在布線方面簡單地實施，在所述數(shù)據(jù)處理單元（20）側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)常用的通信協(xié)議如以太網(wǎng)的使用，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)所有網(wǎng)絡(luò)用戶之間的同時和不受限制的數(shù)據(jù)傳輸。
【專利說明】總線系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于通過由兩個信號線路組成的總線連接多個數(shù)據(jù)處理單元的總線系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]到目前為止，數(shù)據(jù)處理單元主要通過數(shù)字總線系統(tǒng)彼此耦合，其中使用標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議如以太網(wǎng)(IEEE 802.3)，基于所述標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如TCP/IP等等。數(shù)據(jù)速率為lOOMbit/s的以太網(wǎng)連接由于高的數(shù)據(jù)速率、低的成本和系統(tǒng)穩(wěn)健性目前非常普遍。缺點是以下狀況:對于數(shù)據(jù)的傳輸和接收需要兩個分開的線對，這相對于其他利用一個線對就足夠的協(xié)議如ARINC-429或MIL-STD-1553或CAN使線路重量加倍。另一個主要缺點在于，只有點到點連接是可能的，并且對于具有多個用戶的網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建有源耦合器如所謂的集線器或交換機(jī)是必要的。如果以太網(wǎng)應(yīng)當(dāng)以確定的方式以保證的帶寬或保證的最大延遲運行，則需要復(fù)雜的協(xié)議，所述復(fù)雜的協(xié)議控制媒體訪問(所謂的MAC協(xié)議)。這或者基于TDMA原理(時分多址)或者需要復(fù)雜的優(yōu)先級控制的緩存和傳輸速率限制方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]由此出發(fā)，本發(fā)明所基于的任務(wù)是，提供一種用于連接多個數(shù)據(jù)處理單元的總線系統(tǒng)，所述總線系統(tǒng)在布線方面能夠簡單地實施，在物理層方面能夠借助通用的協(xié)議工作，但是能夠?qū)崿F(xiàn)所有網(wǎng)絡(luò)用戶之間的同時的和不受限制的數(shù)據(jù)傳輸。
[0004]本發(fā)明由獨立權(quán)利要求的特征得出。有利的改進(jìn)方案和擴(kuò)展方案是從屬權(quán)利要求的主題。本發(fā)明的其他特征、應(yīng)用可能性和優(yōu)點由下面的描述、以及本發(fā)明的實施例的闡述得出，所述實施例在附圖中示出。
[0005]所述任務(wù)通過以下方式來解決:
-所述總線加載有模擬信號，所述模擬信號位于多個不重疊的頻帶內(nèi)，其中每一個數(shù)據(jù)處理單元分派有具有中頻的頻帶；
-每一個數(shù)據(jù)處理單元通過調(diào)制解調(diào)器單元與所述總線耦合，所述調(diào)制解調(diào)器單元具有以下組成部分:
-接口單元，所述接口單元能夠與所述數(shù)據(jù)處理單元連接，并且借助數(shù)字通信協(xié)議(例如IEEE 802.3)與所述數(shù)據(jù)處理單元通信；
-窄帶調(diào)制單元，所述窄帶調(diào)制單元將有用數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成信號，所述信號能夠通過所述頻帶傳輸；
-濾波器組合成單元，所述濾波器組合成單元作為多相濾波器組將所述接口單元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到分配給所述數(shù)據(jù)處理單元的中頻上，并且抑制相鄰頻帶之間的干擾；
-數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，所述數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器將濾波器組合成單元的信號轉(zhuǎn)換成模擬信
號;
-總線耦合單元，用于電絕緣地將所述數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的待傳輸?shù)男盘栺詈陷斎氲剿隹偩€中并且將所述總線的所接收的信號耦合輸出；
-模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器對從所述總線耦合單元接收的總線信號數(shù)字
化；
-濾波器組分析單元，所述濾波器組分析單元作為多相濾波器組將數(shù)字化的總線信號劃分成各個頻帶，并且所述濾波器組分析單元將分配給所述各個頻帶的數(shù)據(jù)輸送給所述接口單元；
-窄帶解調(diào)單元，所述窄帶解調(diào)單元對所述濾波器組分析單元的數(shù)據(jù)流解調(diào)，并且將所述有用數(shù)據(jù)輸送給所述接口單元。
[0006]本發(fā)明的特征在于，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理技術(shù)被用于將網(wǎng)絡(luò)劃分為頻域中的多個虛擬的和獨立的連接。信號可以在所述虛擬連接的每一個上傳輸，而不影響其他連接之間的傳輸。在此，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以是簡單的無源總線構(gòu)造，其由一個線對(雙絞線)組成，而沒有部件之間的有源部件、也即數(shù)據(jù)處理單元。在此不僅能夠?qū)崿F(xiàn)直接的點對點連接(PP)而且也能夠?qū)崿F(xiàn)點對多點連接，其方式是，為每個節(jié)點的傳輸分配不同的不重疊的頻帶。數(shù)據(jù)處理單元被理解為所有類型的設(shè)備，這些設(shè)備彼此進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，例如計算機(jī)、執(zhí)行器、傳感器、調(diào)節(jié)
m坐坐
[0007]在此盡可能高效地實現(xiàn)物理層，以便使硬件成本最小化。在上層上這與常用的協(xié)議、尤其是快速以太網(wǎng)協(xié)議兼容，以便能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的系統(tǒng)遷移。作為物理層，根據(jù)本發(fā)明的解決方案基于電隔離的網(wǎng)絡(luò)接口，從而這也能夠與現(xiàn)代飛機(jī)的碳纖維增強(qiáng)型塑料結(jié)構(gòu)(CFRP)—起使用。
[0008]在此，根據(jù)本發(fā)明的頻分復(fù)用方法(頻分多址；FDMA)基于在一個雙絞線電纜(具有扭絞的電纜芯線對的電纜)中在不同頻率上同時傳輸多個窄帶信號。為此，將雙絞線電纜的可用帶寬劃分成一組獨立的、不重疊的頻帶，所述頻帶傳輸各自的數(shù)據(jù)流。在用于CAN總線系統(tǒng)的飛機(jī)技術(shù)中使用的典型的電纜型號(WX26)的情況下，例如對于60m的電纜長度對于-3dB信號下降得出約IOMHz的帶寬。較短的電纜具有明顯更高的_3dB帶寬。該帶寬(也即在優(yōu)選的示例中是IOMHz)被劃分為一組一優(yōu)選8個一子帶，所述子帶優(yōu)選具有均勻的為1.25MHz的中心間距。
[0009]每個數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)被輸送給多相濾波器組，所述多相濾波器組包括快速傅立葉變換單元(FFT)以及低通濾波器。多相濾波器組由合成濾波器組以及分析濾波器組組成，所述合成濾波器組包括傳輸功能性，所述分析濾波器組用于接收功能性。以20MHz的采樣速率進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使得能夠處理高達(dá)IOMHz的電纜帶寬的信號。進(jìn)行32點IFFT/FFT，其將20MHz劃分為32個帶，其中不使用上面的16個帶，并且下面的16個帶中僅僅每隔一個地使用，以便增加所使用的帶之間的間距，并且因此使干擾最小化。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個有利的改進(jìn)方案，在所述數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器和所述總線耦合單元之間布置有第一模擬低通濾波器。由此降低總線系統(tǒng)到相鄰系統(tǒng)的電磁放射。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個有利的改進(jìn)方案，在所述總線耦合單元與所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間布置有第二模擬低通濾波器。由此，對接收信號進(jìn)行頻帶限制，使得不通過AD轉(zhuǎn)換器的時間采樣而形成混疊效應(yīng)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個有利的改進(jìn)方案，在傳輸側(cè)驅(qū)動單元連接在所述總線耦合單元的前面，以便將足夠強(qiáng)的信號電感式或電容式地耦合輸入到總線線路中。[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個有利的改進(jìn)方案，在所述窄帶調(diào)制單元中借助正交幅度調(diào)制進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，使得利用每個所傳輸?shù)姆柲軌騻鬏敹鄠€數(shù)據(jù)比特。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個有利的改進(jìn)方案，所述數(shù)字通信協(xié)議是IEEE 802.3 (以太網(wǎng))、ARINC-429、MIL-STD-1553或CAN。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)能夠借助常用的協(xié)議與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備耦合，所述傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備的接口根據(jù)這些協(xié)議之一工作。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個有利的改進(jìn)方案，8個頻帶設(shè)置有n*0.625MHz (η=Ρ..7)的中頻。這特別是在使用型號WX26的電纜的情況下有利于將8個不同的數(shù)據(jù)處理設(shè)備彼此連接。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個有利的改進(jìn)方案，所述總線耦合單元中的電耦合實施為電感式的。這在結(jié)構(gòu)上是簡單的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸?shù)母咝省?br> 【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]其他的優(yōu)點、特征和細(xì)節(jié)由下面的描述得出，在所述描述中必要時參考附圖描述至少一個實施例的細(xì)節(jié)。所描述的和/或形象地示出的特征本身或以任意的有意義的組合構(gòu)成本發(fā)明的主題。相同的、相似的和/或功能相同的部分設(shè)有相同的附圖標(biāo)記。
[0018]其中示出:
圖1:根據(jù)本發(fā)明的示意性網(wǎng)絡(luò)示圖；
圖2:根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)通信的示意性的頻域表示；
圖3:在一個節(jié)點中存在的部件的框圖；
圖4:具有兩個節(jié)點的裝置的系統(tǒng)；
圖5:8個無關(guān)的NRZ數(shù)據(jù)流的信號；
圖6:在傳輸8個數(shù)據(jù)流時的總頻譜。
【具體實施方式】
[0019]在圖1中示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的總線系統(tǒng)10的網(wǎng)絡(luò)示圖，所述總線系統(tǒng)由多個數(shù)據(jù)處理設(shè)備lla-12d組成，所述多個數(shù)據(jù)處理設(shè)備通過接口單元12a-12d連接到雙線線路14上。線路14在兩端通過具有特征性電纜阻抗的端件16封閉。通過不同的灰色陰影示出各個接口單元12a-12d之間的線路14上的數(shù)據(jù)通信。
[0020]在圖2中在頻域中示出線路14上的數(shù)據(jù)通信，其中可看出，分別在不同的頻帶18a-18d中進(jìn)行不同節(jié)點之間的通信。因此，例如在頻帶18a中進(jìn)行節(jié)點12c和12d之間的通信，在頻帶18b中進(jìn)行節(jié)點12a和12b之間的通信，等等。
[0021]圖3是在接口單元12中存在的部件的框圖。數(shù)據(jù)處理設(shè)備20通過數(shù)字連接22、優(yōu)選根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議與信號處理器單元24連接，所述信號處理器單元優(yōu)選實施為所謂的FPGA (應(yīng)用現(xiàn)場可編程門陣列)，在所述FPGA中，所有用于窄帶傳輸和接收以及信道化的數(shù)字信號處理步驟在使用多相濾波器組的情況下進(jìn)行。信號處理器單元24的傳輸信號被輸送給數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器26，所述數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器26在穩(wěn)健的窄帶傳輸情況下可以具有8至10比特的分辨率。驅(qū)動放大器28放大待傳輸?shù)男盘枺⑶覍⑺鲂盘栞斔徒o總線耦合單元30，所述總線耦合單元與線路14電感式地耦合。替代地，耦合也可以電容式地進(jìn)行。未示出的簡單的模擬低通濾波器可以設(shè)置在數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器26與驅(qū)動放大器28之間以及設(shè)置在總線耦合單元30與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器34之間，以便防止混疊效應(yīng)以及平滑信號。為了實現(xiàn)抗電擊的穩(wěn)健性并且使得系統(tǒng)適合于安裝在由碳纖維增強(qiáng)型塑料(CFRP)制成的飛機(jī)中，通過總線耦合單元30的電隔離是重要的。
[0022]在接收支路中，來自線路14的信號通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器34輸送給信號處理器單元，所述信號處理器單元實施相反的用于傳輸支路的信號處理。
[0023]在圖4中詳細(xì)示出具有兩個接口單元12a、12b的裝置的系統(tǒng)。每一個接口單元包括用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮铣蔀V波器組36和用于數(shù)據(jù)接收的分析濾波器組38。兩個濾波器組具有多相架構(gòu)。信道選擇塊40為每個接口單元選擇頻域信道和子信道，在所述頻域信道上發(fā)送數(shù)據(jù)，在所述子信道上接收數(shù)據(jù)。對于兩個方向可能的是，給一個接口單元(一個節(jié)點)分配多個信道。為了防止網(wǎng)絡(luò)中的沖突，應(yīng)為每個信道只分配一個節(jié)點作為傳輸信道，而多個節(jié)點可以收到來自相同信道的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)針對ARINC-429或AFDX協(xié)議的點到多點信道的構(gòu)建。窄帶發(fā)送器42和窄帶接收器44優(yōu)選根據(jù)非歸零(NRZ)編碼以20MHz/32=625kHz的采樣速率工作。借助NRZ編碼能夠在每一個子信道上實現(xiàn)625kBit/s的比特速率或者整個數(shù)據(jù)速率為8x625kBit/s、即5Mbit/s。在NRZ編碼的情況下，不能夠傳輸NRZ信號的整個帶寬，但可傳輸?shù)膸捵阋詫λ鲂盘柦獯a。在圖3中以附圖標(biāo)記24、26、28、30、34表示的單元集成到圖4的塊46中。
[0024]替代地，可以使用其他的編碼，因此尤其是正交幅度調(diào)制(QAM)，其具有能夠傳輸每符號多個數(shù)據(jù)比特的優(yōu)點。16-QAM的使用可能是有利的，所述16-QAM傳輸每符號4個數(shù)據(jù)比特，因為由此每符號能夠傳輸一個IEEE 802.3介質(zhì)無關(guān)接口數(shù)據(jù)塊(MII)。
[0025]在圖5中示出8個無關(guān)的NRZ數(shù)據(jù)流的信號，所述信號由一個節(jié)點傳輸并且由另一個節(jié)點接收。左邊示出傳輸側(cè)的信號，并且右邊示出接收側(cè)的信號用于隨機(jī)比特序列的8個信道?？梢钥闯?，所述數(shù)據(jù)流不相互干擾并且能夠由接收器正確地解碼。在此可以看出，根據(jù)閾值決策，所有比特值正確到達(dá)，并且在8次采樣中僅僅出現(xiàn)一次延遲，以及出現(xiàn)由于碼間干擾而造成的低振幅失真，因為子信道的帶寬略小于NRZ數(shù)據(jù)流的帶寬。
[0026]在圖6中示出在每個子信道上數(shù)據(jù)速率為625kBit/s的情況下的模擬信號頻譜連同頻域頻譜中的濾波器組特性。在此可以看出，所述模擬信號頻譜由8個子帶信號組成，所述8個子帶信號完美地對應(yīng)于濾波器組特性。
[0027]附圖標(biāo)記列表
10總線系統(tǒng)
11數(shù)據(jù)處理設(shè)備
12接口單元 14 線路
16 端件 18 頻帶 20 數(shù)據(jù)處理設(shè)備 22 連接 24 信號處理器單元 26 D/Α轉(zhuǎn)換器 28 驅(qū)動放大器30總線耦合單元
34模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器
36合成濾波器組
38分析濾波器組
40信道選擇塊
42窄帶發(fā)送器
44窄帶接收器
46塊。
【權(quán)利要求】
1.用于通過由兩條信號線路組成的總線(14)連接多個數(shù)據(jù)處理單元(20)的總線系統(tǒng)(10)，其中 -所述總線(14)加載有模擬信號，所述模擬信號位于多個不重疊的頻帶(18)內(nèi)，其中為每一個數(shù)據(jù)處理單元(20)分派具有中頻的頻帶(18)； -每一個數(shù)據(jù)處理單元(20)通過調(diào)制解調(diào)器單元(12)與總線(14)耦合，所述調(diào)制解調(diào)器單元具有以下組成部分: -接口單元(24)，所述接口單元能夠與所述數(shù)據(jù)處理單元(20 )連接，并且借助數(shù)字通信協(xié)議(例如IEEE 802.3)與所述數(shù)據(jù)處理單元通信； -窄帶調(diào)制單元(42)，所述窄帶調(diào)制單元將有用數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成信號，所述信號能夠通過所述頻帶(18)傳輸； -濾波器組合成單元(36)，所述濾波器組合成單元作為多相濾波器組將所述接口單元(24)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到分配給所述數(shù)據(jù)處理單元(20)的中頻上，并且抑制相鄰頻帶之間的干擾； -數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(26)，所述數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器將濾波器組合成單元(36)的信號轉(zhuǎn)換成模擬信號； -總線耦合單元(30)，用于電絕緣地將所述數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(26)的待傳輸?shù)男盘栺詈陷斎氲剿隹偩€(14)中并且將所述總線(14)的所接收的信號耦合輸出； -模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(34)，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器對從所述總線耦合單元(30)接收的總線系統(tǒng)數(shù)字化； -濾波器組分析單元(38，40)，所述濾波器組分析單元作為多相濾波器組將數(shù)字化的總線信號劃分成各個頻帶(18)，并且所述濾波器組分析單元將分配給所述各個頻帶(18)的數(shù)據(jù)輸送給所述接口單元(24)； -窄帶解調(diào)單元(44)，所述窄帶解調(diào)單元對所述濾波器組分析單元(38，40)的數(shù)據(jù)流解調(diào)，并且將所述有用數(shù)據(jù)輸送給所述接口單元(24 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)置有2n(n=l至6)個頻帶(18)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的總線系統(tǒng)，其特征在于，使用每隔一個的頻帶(18)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線系統(tǒng)，其特征在于，在所述數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(26)和所述總線耦合單元(30)之間布置有第一模擬低通濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線系統(tǒng)，其特征在于，在所述總線耦合單元(30)與所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(34)之間布置有第二模擬低通濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線系統(tǒng)，其特征在于，在傳輸側(cè)驅(qū)動單元(28)連接在所述總線耦合單元(30)的前面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線系統(tǒng)，其特征在于，在所述窄帶調(diào)制單元(42)中借助正交幅度調(diào)制進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字通信協(xié)議是IEEE802.3(以太網(wǎng))、ARINC-429、MIL-STD-1553 或 CAN。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線系統(tǒng)，其特征在于，8個頻帶設(shè)置有n*0.625MHz (n=L...7)的中頻。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線系統(tǒng)，其特征在于，所述總線耦合單元(30)中的電耦合實現(xiàn)為電感式的。
11.根據(jù)以上權(quán) 利要求之一所述的總線系統(tǒng)在飛機(jī)中的應(yīng)用。
【文檔編號】H04J1/05GK103959686SQ201280047566
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月29日
【發(fā)明者】C.黑勒, J.沙爾克 申請人:伊德斯德國股份有限公司