Schaltungsanordnung zur Übertragung von Puls-Abstand-modulierten Infrarotsignalen für Fernsteuergeräte

Abstract

 Bei einer Schaltungsanordnung zur Übertragung von Puls-Abstand-modulierten Infrarotsignalen für Fernsteuergeräte werden die Puls-Abstand-modulierten Signale in einem Sender (1) mittels Amplitudenmodulationen auf eine Trägerfrequenz f_o aufmoduliert, als Infrarot-Licht-Signale (3) über eine Übertragungsstrecke gesandt und in einem Empfänger (4) empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Der Empfänger enthält einen schmalbandigen Vorverstarker (7), dessen Ausgangssignal einer phasenstarren Schleife (8) zugeführt wird, deren Mittenfrequenz der Trägerfrequenz f_o entspricht. Am Ausgang der phasenstarren Schleife (8) erscheint nur dann ein Signal, wenn an ihrem Eingang Signale aniiegen, die innerhalb des Fangbereiches der phasenstarren Schleife (8) liegen. Diese Signale werden in der phasenstarren Schleife (8) als Signale mit steilen Flanken aufbereitet, die in einem herkömmlichen Dekoder (9) dekodiert werden. Bei großem übertragbaren Zeichenvorrat wird hierduch eine hervorragende Störsicherheit erzielt, so daß Infrarot-Signale bei geringem Energiebedarf über weite Strecken übertragen werden können (Figure 1).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Übertragung von Puls-Abstand-modulierten Infrarotsignalen für Fernsteuergeräte, mit einem Sender, der.die Infrarotsignale aussendet und mit einem Empfänger, der ein Infrarot-empfindliches Element, einen daran angeschlossenen Vorverstärker sowie einen Dekodierer für Puls-Abstand-modulierte Signale aufweist.

[0002] Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus Datenblättern der Firma Plessey Semiconductors entnehmbar, wo mit einem Fernsteuersender des Typs SL 490, einem Infra-rot-Empfänger-Vorverstärker des Typs SL 480 und einem Fernsteuerempfänger der Typen NL 928/9 bzw. NL 920 die eingangs beschriebene Schaltungsanordnung aufbaubar ist. Eine derartige Schaltungsanordnung ist auch aus einem Aufsatz von Rüdiger Karnatzki, "Infrarot-Fernbedienung mit 1024 Befehlen", Funkschau 1978, Heft 8, Seiten 323 bis 326, bekannt.

[0003] Aus einem Aufsatz von Wolfgang Baum, "Mikroprozessor der zweiten Generation im Farbfernsehgerät", Funkschau 1979, Heft 16, Seiten 909 bis 912 sowie einem Datenblatt der Firma AEG Telefunken mit dem Titel Technische Daten 1979/80 ist unter dem Typ U 327 M / U 328 M und U 3034 M eine monolithisch integrierte Schaltung für eine Infrarot-Fernbedienung beschrieben. Ein Befehlswort besteht hierbei aus 13 nacheinander angeordneten Segmenten von 2 Trägerfrequenzen F_{1 =} 34,64 kHz und F₂ = 37,31 kHz, wobei ein Segment der Frequenz F₂ ein logisches "H" darstellt. Der Sender strahlt nur Bit-Änderungen innerhalb ein und desselben Wortes aus. Aufeinanderfolgende gleichwertige Bits werden vom Sender unterdrückt und im Empfänger automatisch ergänzt.

[0004] Das Grundprinzip der Codierung besteht somit in einer Frequenzumtastung. Da jedoch aufeinanderfolgende gleichwertige Bits unterdrückt werden, müssen genau definierte "Zeitfenster" (time window) vorgesehen sein, um Störimpulse ausblenden zu können. Mit anderen Worten werden nur innerhalb dieser Zeitfenster empfangene Signale der Frequenzen F₁ oder F₂ ausgewertet. Zur Erkennung der beiden Frequenzen F₁ bzw. F₂ sind PLL-Schaltungen vorhanden, die als sehr schmalbandige Filter wirken.

[0005] Die gewählte Betriebsart, bei der nur Bit-Änderungen ausgestrahlt werden, dient zum Einen der Störsicherheit und zum Anderen der Stromeinsparung im Sender. Soll beispielsweise ein Befehlswort der Folge LLLLHHLH übertragen werden, so strahlt der Sender folgendes Impulsmuster ab:

Fl 0 0 0 F2 0 Fl F2, wobei "0" bedeutet, daß der Sender kein Signal aussendet.

[0006] Um die beiden Frequenzen detektieren zu können, müssen natürlich zwei PLL's vorgesehen sein, die jeweils auf eine der beiden Frequenzen abgestimmt sind.

[0007] Generell lassen sich übliche Infrarot-Fernsteuer-Systeme, wie folgt klassifizieren:

Eine erste Art arbeitet mit Puls-Modulation, worunter eine Amplituden-Puls-Abstand-Kodierung, eine Amplituden-Phasen-Kodierung und eine Frequenz-Sprung-Kodierung fallen.

[0008] Bei der Amplituden-Puls-Abstand-Kodierung ist die digitale Information in unterschiedlich langen Pausen zwischen zwei Markierungs-Impulsen enthalten. Eine lange Pause entspricht beispielsweise dem Wert 0, während eine kurze Pause dem Wert l entspricht.

[0009] Bei der Amplituden-Phasen-Kodierung ist die digitale Information in der Phasenlage der Impulse relativ zu einem Start-Impuls enthalten.

[0010] Bei der Frequenz-Sprung-Kodierung (allgemein auch als fsk; Frequenz shift-keying bezeichnet) ist die digitale Information in den Sprüngen zwischen zwei diskreten Frequenzen enthalten. So entspricht z.B. ein Frequenzsprung von einer Frequenz f zu einer Frequenz f_l dem binären Wert 0, während ein Rücksprung, d.h. ein Sprung von der Frequenz f₁ zur Frequenz f₀ dem digitalen Wert 1 entspricht.

[0011] Die andere generelle Klasse von Infrarot-Fernsteuer-Systemen betrifft frequenzmodulierte Systeme, bei denen die Informationen in der Auswahl einer bestimmten Frequenz unter mehreren möglichen Frequenzen enthalten sind.

[0012] Die eine Puls-Modulation verwendenden Systeme haben den Vorteil eines nahezu unbegrenzten Zeichenvorrates, d.h. nahezu unbegrenzter Kodiermöglichkeiten. Der Zeichen- bzw. Befehlsvorrat ist prinzipiell nur durch die Übertragungsdauer begrenzt. Nachteilig an diesen Systemen ist jedoch, daß während der gesamten Übertragungszeit eines "Befehlswortes", das z.B. aus einem Startbit und 6 Informationsbits besteht, das Signal einwandfrei, d.h. mit ausreichendem Signal/Störabstand übertragen werden muß.

[0013] Um Übertragungsfehler auszuschließen, werden dabei auf der Empfängerseite mehrere Prüfungen der empfangenen Signale durchgeführt. So wird beispielsweise geprüft, ob der Signal/Störabstand ausreichend groß ist. In einem "Wortvergleich" wird ein erstes Befehlswort mit einem zweiten Befehlswort verglichen. Werden bei diesem Vergleich Abweichungen festgestellt, so wird ein Fehler gemeldet und die Ausgabe des Befehlswortes unterdrückt. Dies erfordert allerdings eine doppelte Übertragungszeit, in der keine Störungen auftreten dürfen. Dies ist mit den bekannten Systemen nur auf geringe Entfernungen möglich, die in der Grössenordnung von 20 m liegen. Bei größeren Entfernungen treten in der Praxis stets Störungen auf, so daß am Dekodierer nur noch in den seltensten'Fällen Signale als richtig erkannt ausgegeben werden.

[0014] Eine Verbesserung erhält man durch das FSK-System, wo der Signal/Störabstand durch schmalbandige Filter verbessert werden kann. Als schmalbandige Filter sind auch sog. phasenstarre Schleifen bzw. phasenverriegelte Schleifen (im allgemeinen auch mit PLL bezeichnet) zur Anwendung gekommen. Durch Verwendung zweier PLL's, die jeweils auf eine der beiden Frequenzen f und f₁ abgestimmt sind, wird ein hervorragender Signal/Störabstand erhalten. Nachteilig hieran ist jedoch, daß der Sender während der Übertragung eines Befehlswortes dauernd eingeschaltet bleiben muß, da er laufend eine der beiden Frequenzen aussenden muß. Hierdurch wird bei einer Fernsteuerung während der gesamten Dauer der Befehlswortübertragung Strom aus der Batterie gezogen, so daß diese schon nach kurzer Zeit ausgewechselt werden muß. Auch kann die Sendeleistung für Infra-rotLicht-emittierende-Dioden wegen der thermischen Belastung nicht sehr hoch sein, wodurch wieder die Reichweite begrenzt ist. Ein weiterer Nachteil dieses Systems liegt daran, daß die beiden Arbeitsfrequenzen relativ weit auseinanderliegen müssen, da die PLL's relativ schnell auf das jeweilige Signal "verriegeln" müssen, was nur dann erfolgen kann, wenn die Bandbreite der einzelnen PLL's relativ groß ist. Hierdurch ist wiederum die gesamte Bandbreite eines Übertragungskanales relativ groß, so daß innerhalb des Infrarot-Bereiches nur wenige "Kanäle" mit unterschiedlichen Frequenzen zur Verfügung stehen.

[0015] Die frequenz-modulierten Systeme haben den wesentlichen Vorteil, daß sie nur einen geringen Signal/Störabstand benötigen. Nachteilig ist jedoch, daß die Anzahl der zu übertragenden Befehle beschränkt ist. Selbst wenn man zum Erkennen der einzelnen Frequenzen wiederum phasenstarre Schleifen verwendet, so ist gleichwohl die Anzahl der übertragbaren Befehle beschränkt, da phasenstarre Schleifen den Nachteil haben, daß sie auch auf ganzzahlige Vielfache der Eigenschwingfrequenz ansprechen. Will man eine gute Kanaltrennung erreichen, so ist eine Übertragung im Infrarot-Bereich auf maximal 4 Frequenzen beschränkt. Außerdem ist bei diesen Systemen der bauliche Aufwand relativ groß, da für jeden "Befehl" ein eigener Kanal erforderlich ist.

[0016] Mit der vorliegenden Erfindung sollen die Nachteile der oben beschriebenen Systeme beseitigt werden.

[0017] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß digitale Informationen mit großem Zeichenvorrat über weite Infrarot-Strecken übertragen werden können und Fehlübertragungen durch Störsignale wirksam unterdrückt werden.

[0018] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Puls-Abstand-modulierten Signale einer Trägerfrequenz mittels Amplitudenmodulation überlagert sind und daß der Empfänger eine phasenstarre Schleife (PLL) enthält, deren Mittenfrequenz die Trägerfrequenz ist, wobei die phasenstarre Schleife zwischen dem Vorverstärker und dem Dekodierer eingeschaltet ist.

[0019] Generell verbindet die vorliegende Erfindung somit die Vorteile der Amplituden-Puls-Kodierung mit der Frequenz-Kodierung, ohne jedoch die jeweiligen Nachteile zu übernehmen. Gegenüber dem bekannten System wird aufgrund der verbesserten Störsignalunterdrückung ein einwandfreier, d.h. ungestörter Signalempfang auch über große Strecken gewährleistet. Weiterhin kann die Sendeleistung verringert werden, wodurch bei batteriebetriebenen Sendern die Batterielebensdauer verlängert wird. Umgekehrt ist es auch möglich, bei gleicher Batterielebensdauer mit höherer Sendeleistung zu arbeiten, wodurch die Reichweite noch weiter vergrößert wird.

[0020] Zusätzlich können mehrere "Kanäle" mit verschiedenen Frequenzen in einem Raum betrieben werden, ohne daß diese sich gegenseitig stören, da die einzelnen Kanäle sehr schmalbandig ausgelegt sind. Dies ist für die gleichzeitige Fernsteuerung mehrerer Geräte, wie z.B. mehrerer Dia-Projektoren und/oder Tonwiedergabegeräte von großem Vorteil.

[0021] Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der PLL ein schmalbandig begrenztes Eingangssignal zugeführt, was den Vorteil hat, daß sehr schmalbandige Vorverstärker verwendet werden können. Hierdurch kann bereits eine gute "Vorselektion" durchgeführt werden, so daß harmonische Frequenzen anderer Kanäle keine Störung zur Folge haben. Mit anderen Worten können bei mehreren Kanälen die einzelnen Frequenzen auch ganzzahlige Vielfache einer gemeinsamen Grundfrequenz sein.

[0022] Ein vorteilhafter Aufbau einer PLL, die bei der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt, ist in Patentanspruch 3 beschrieben.

[0023] Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlich dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm einer am Ausgang des Vorverstärkers erscheinenden möglichen Impulsfolge; und

Fig. 3 ein Zeitdiagramm der am Ausgang der PLL auftretenden Impulse in Abhängigkeit von den Impulsen der Figur 2.

[0024] In Fig. 1 ist ein Sender 1 dargestellt, der Puls-Abstand-modulierte Signale erzeugt, mit denen eireTrägerfrequenz f₀ amplitudenmoduliert wird. Dieses elektrische Signal wird über ein Licht-emittierendes Bauteil 2, das beispielsweise eine Licht-emittierende Diode (LED) sein kann, in ein optisches Signal umgewandelt, das durch den Pfeil 3 angedeutet ist und das im Infrarot-Bereich liegt. Dieses Signal wird über eine "Infrarot-Strecke" übertragen und in einem Empfänger von einem Infrarot-empfindlichen Bauteil 4, wie z.B. einem Infrarot-Detektor empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Ausgang des Infrarot-empfindlichen Bauteils 4 führt über eine Filterschaltung aus einer Drossel 5 und einem Kondensator 6 zu einem ungeregelten, schmalbandigen Vorverstärker 7, der auch als mehrstufiger, z.B. 3-stufiger Verstärker ausgebildet sein kann. Am Ausgang dieses Vorverstärkers erscheint ein bereits schmalbandig begrenztes Signal U 7, das für eine mögliche Impulsfolge in Fig. 2 dargestellt ist. Dort ist auch zu erkennen, daß dieses Signal noch mit starken Störungen behaftet ist. Zusätzlich kann diesem Signal auch noch ein starkes "Rauschen" überlagert sein. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 7 wird dann dem Eingang einer phasenstarren Schleife 8, die allgemein auch mit "PLL" bezeichnet wird, zugeführt. Der Ausgang der PLL 8 ist mit einem PCM-Dekodierer 9 verbunden, an dessen Ausgängen 19 dann - je nach empfangener Impulsfolge - die entsprechenden "Steuerbefehle" erscheinen.

[0025] Die PLL 8 ist wie folgt aufgebaut:

Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 7 wird einem Eingang eines Phasendetektors 11 zugeführt, dessen anderer Eingang mit einem Ausgang eines spannungsgesteuerten Oszillators 10 verbunden ist. Der spannungsgesteuerte Oszillator 10 ist auf eine Mittenfrequenz eingestellt, die der Trägerfrequenz f₀ des Senders 1 entspricht.
In dem Phasendetektor 11 werden nun die Phasenlagen der Ausgangssignale des Vorverstärkers 7 und des spannungsgesteuerten Oszillators 10 miteinander verglichen, wobei am Ausgang des Phasendetektors 11 ein Signal erscheint, das der Phasendifferenz der beiden Eingangssignale entspricht. Dieses Signal wird über einen Tiefpass 12, der es glättet und Wechselspannungsanteile entfernt, einem Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators zugeführt. Über die Rückkopplungsschleife aus Phasendetektor 11 und Tiefpass 12 wird der spannungsgesteuerte Oszillator 10 in seiner Schwingfrequenz so verändert, daß er exakt auf der Frequenz des Ausgangssignales des Vorverstärkers 7 schwingt. Die PLL hat dann "gefangen" bzw. "verriegelt". Wie allgemein bekannt, haben derartige PLL's einen einstellbaren "Fangbereich", wobei im Regelfalle die Einschwing- bzw. Fangdauer umso größer ist, je schmalbandiger der Fangbereich der PLL ist.

[0026] Für den vorliegenden Anwendungszweck wird der Fangbereich bzw. die Fangdauer der PLL so eingestellt, daß sie etwa nach 10 bis 50 Schwingungen des Eingangssignales mit diesem synchronisiert ist.

[0027] Ein zweiter Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators, der nach dem Einschwingen ein Signal führt, das synchron, jedoch um 90° phasenverschoben zu dem Eingangssignal der PLL verläuft, ist über einen 90°-Phasenschieber 13 mit einem Eingang eines zweiten Phasendetektors 14 verbunden. Dem anderen Eingang des Phasendetektors 14 wird das Ausgangssignal des Vorverstärkers 7 zugeführt. Im eingeschwungenen Zustand der PLL stehen somit am Eingang des zweiten Phasendetektors 14 zwei Eingangsspannungen, die in Phase sind. Der Phasendetektor 14 erzeugt somit an seinem Ausgang eine Spannung mit einem Gleichspannungsanteil, der von Wechselspannungsanteilen überlagert ist. Rauschsignale bzw. Rauschspannungen des Ausgangssignals des Vorverstärkers 7 kann man sich als-Zusammensetzung stochastisch verteilter Einzelfrequenzen vorstellen, die am Ausgang des Phasendetektors 14 keinen Gleichspannungsanteil erzeugen, da sie in dem linearen Phasendetektor 14 kompensiert werden, weil sie in keiner Beziehung zur Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 10 stehen. Die PLL ist somit in der Lage, Nutzsignale aus dem Rauschen herauszufiltern, die bis zu 6 dB unter dem Eingangs-Rausch-Pegel liegen.

[0028] Die Ausgangssignale des Phasendetektors 14 werden in einem Tiefpass 15 geglättet, der die Aufgabe hat, den oben genannten Wechselspannungsanteil zu unterdrücken. Die so von den Wechselspannungsanteilen befreite Ausgangsspannung des Phasendetektors 14 wird nun in einem Komparator 16 mit einer Bezugsspannung U re f verglichen, die aus einer nicht näher dargestellten Spannungsquelle 17 stammt. Der Komparator 16 gibt daraufhin nur dann ein Ausgangssignal auf die Leitung 18, wenn das Gleichspannungssignal aus dem Tiefpass 15 größer als die Bezugsspannung U_ref ist. Dies geschieht nur dann, wenn die Ausgangssignale des Vorverstärkers 7 innerhalb des Fangbereiches der PLL liegen, während Störimpulse bzw. Störsignale außerhalb des Fangbereiches der PLL unterdrückt werden.

[0029] Das Ausgangssignal des Komparators 18, das das Ausgangssignal der PLL 8 darstellt, ist, bezogen auf das in Fig. 2 dargestellte Impulsmuster, in Fig. 3 dargestellt. Dieses von Rauschanteilen und Störspitzen befreite Signal wird dann in einem herkömmlichen Puls-Abstands-Modulations-Dekoder 9 dekodiert, der das Puls-Abstand-modulierte Signal in binäre Parallelsignale umwandelt, die auf den Leitungen 19 erscheinen. Die Signale auf den Leitungen 19 werden dann - je nach Anwendungsfall - mit den einzelnen Stellgliedern, Schaltern etc. verbunden, welche die gewünschten ferngesteuerten Befehle ausführen sollen.

[0030] Die einzelnen beschriebenen Bauteile sind als integrierte Bauteile im Handel erhältlich. Für den-Sender 1 eignet sich das Bauteil SL 490 der Firma Plessey Semiconductor. Für den Empfänger eignet sich das Bauteil ML 920 bzw. ML 928/9 der Firma Plessey Semiconductor. Für den Infrarot-Vorverstärker eignet sich das Bauteil SL 480 der Firma Plessey Semiconductor.

[0031] Als PLL ist eine in geeigneter Weise extern geschaltete integrierte Schaltung der Firma Signetics mit der Bezeichnung SE/NE 567 geeignet.

[0032] Zusammenfassend vereinigt die vorliegende Erfindung die Vorteile einer Pulsabstandmodulation, d.h. großer Befehlsvorrat mit der Störsicherheit von frequenz-modulierten Systemen, d.h. guter Störsicherheit. Mit der Schaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung kann somit eine Fernsteuerung aufgebaut werden, die bei geringem Energiebedarf über große Strecken Infrarotsignale störsicher übertragen kann. Durch die PLL in Verbindung mit dem schmalbandigen Vorverstärker ist es auch möglich, mehrere "Kanäle" zu schaffen, die einen verhältnismäßigen geringen Frequenzabstand voneinander haben. Da der Vorverstärker sehr schmalbandig ausgelegt sein kann, besteht auch keine Gefahr, daß die PLL auf harmonische bzw. subharmonische

[0033] Schwingungen benachbarter Kanäle anspricht. Es können somit in einem Raum mehrere Geräte gleichzeitig ferngesteuert werden.

[0034] Sämtliche in den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren dargestellten technischen Einzelheiten können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Übertragung von Puls-Abstand-modulierten Infrarotsignalen für Fernsteuergeräte, mit einem Sender, der die Infrarotsignale aussendet und mit einem Empfänger, der ein Infrarot-empfindliches Element, einen daran angeschlossenen Vorverstärker sowie einen Dekodierer für Puls-Abstand-modulierte Signale aufweist,
dadurch gekennzeichnet , daß
die Puls-Abstand-modulierten Signale einer Trägerfrequenz (f ) mittels Amplitudenmodulation überlagert sind und daß der Empfänger eine phasenstarre Schleife (PLL, 8) enthält, deren Mittenfrequenz die Trägerfrequenz (f ) ist, wobei die phasenstarre Schleife (PLL, 8) zwischen dem Vorverstärker (7) und dem Dekodierer (19) eingeschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß der phasenstarren Scheife (PLL, 8) auf ein schmales Frequenzband begrenzte Signale von dem Vorverstärker (7) zugeführt werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet , daß die phasenstarre Schleife (PLL, 8) folgendes enthält: einen spannungsgesteuerten Oszillator (10), einen ersten Phasendetektor (11), dem die Ausgangssignale des Vorverstärkers und Ausgangssignale des spannungsgesteuerten Oszillators zugeführt werden, einen dem ersten Phasendetektor nachgeschalteten Tiefpass (12), dessen Ausgang mit einem Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators (10) verbunden ist, einen dem spannungsgesteuerten Oszillator (10) nachgeschalteten 90°-Phasenschieber (13), einen zweiten Phasendetektor (14), dem die Ausgangssignale des 90°-Phasenschiebers (13) und des Vorverstärkers (7) zugeführt werden, einen dem zweiten Phasendetektor (14) nachgeschalteten Tiefpass (15) sowie einem dem Tiefpass (15) nachgeschalteten Komparator (16), dessen Vergleichseingang eine Bezugsspannung (U _ref) zugeführt wird.

Zeichnung