Способ и система для предоставления высокоскоростного обслуживания при помощи многоабонентской сети последовательной передачи данных
Изобретение относится к передаче данных по сети для предоставления высокоскоростного обслуживания с помощью многоабонентской сети последовательной передачи данных. Технический результат - обеспечение передачи цифровой информации по множеству каналов связи и уменьшение полосы пропускания. Широковещательная рассылка данных высокоскоростного обслуживания по многоабонентской сети последовательной передачи информации обеспечивается путем временного мультиплексирования для получения данных высокоскоростного обслуживания, разбиения информационного потока на информационные кадры, имеющие заголовок с размером меньшим 32 битов и бит проверки четности, передачи информационных кадров с предыскажениями по многоабонентской сети последовательной передачи данных, приема информационных кадров с коррекцией предыскажений из многоабонентской сети последовательной передачи данных, распознавания заданной последовательности битов в принятых информационных кадрах, синхронизируя принятые информационные кадры по внутреннему сигналу синхронизации и внешнему сигналу синхронизации, выделенному из информационных кадров после, и сравнения фаз, выполняемого после распознавания заданной последовательности битов, и преобразования синхронизированных информационных кадров в выбранные данные высокоскоростного обслуживания. 2 н. и 37 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к передаче данных по сети и, в частности, к способу и системе для предоставления высокоскоростного обслуживания с помощью многоабонентской сети последовательной передачи данных. Настоящее изобретение предполагает поддержку режимов временного мультиплексирования данных (ВМД, TDM), например широковещательную передачу множества аудио- и стереоканалов связи, в частности с использованием адаптированной сети EIA-485 или RS-422.
Уровень техники
Протокол EIA-485 (в прошлом «RS-485») является стандартным протоколом последовательной аппаратной передачи данных для многоабонентских сетей связи, допускающим подключение до 32 устройств управления и 32 приемников к одной (двухпроводной) шине. Максимальная скорость передачи данных составляет 10 мегабит в секунду для расстояния 1,2 м или 100 килобит в секунду для расстояния 1200 м.
В настоящее время некоторые предприятия-изготовители выпускают приемопередатчики EIA-485 с функцией внесения предыскажений и соответствующей функцией коррекции предыскажений приемника, что позволяет удвоить расстояния передачи при использовании скоростей передачи данных, по величине превышающих 400 килобит в секунду. Эти же устройства можно применять для увеличения скорости передачи данных на заданные расстояния (до 35 мегабит в секунду для расстояний менее 10 м) и позволяют подключать до 128 приемопередатчиков.
Протокол EIA-485 является одним из наиболее часто используемых протоколов многоабонентской передачи данных и одним из наиболее экономичных протоколов физического уровня. Множество электронных устройств снабжены портами EIA-485. Этот протокол также широко применяется в бортовых электронных системах транспортных средств.
Интерес представляют следующие документы: «Electrical characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems (ANSI/TIA/EIA-485-A-98)(R2003)», «Comparing Bus Solutions, Application Report SLLA067 - March 2000», Texas Instruments, http://polimage.polito.it/-lavagno/esd/bus.pdf.
Сущность изобретения
Целью изобретения является создание способа и системы, обеспечивающих передачу цифровой информации по множеству каналов связи с помощью многоабонентской последовательной шины, например шины EIA-485.
Другой целью изобретения является разработка способа и системы, позволяющих уменьшить полосу пропускания, требуемую для предоставления обслуживания с помощью многоабонентской последовательной шины.
Еще одной целью изобретения является создание способа и системы, позволяющих предоставлять высокоскоростное обслуживание на расстояниях, превышающих типовые расстояния, например между вагонами железнодорожного состава.
Еще одной целью изобретения является разработка способа и системы, позволяющих уменьшить число требуемых шин и соответствующего оборудования.
Еще одной целью изобретения является создание способа и системы, позволяющих отказаться от применения более дорогостоящих протоколов многоабонентской, многоадресной передачи информации.
Еще одной целью изобретения является разработка способа и системы, использующих весьма простую методику синхронизации кодера, декодера и возможного ретранслятора.
Еще одной целью изобретения является создание системы, требующей весьма небольшого объема для размещения аппаратных устройств и кабельных соединений.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложена система для широковещательной передачи сигналов по множеству каналов в принимающую станцию по двухпроводной шине и содержит:
кодер, имеющий:
мультиплексор, предназначенный для мультиплексирования цифровых данных, соответствующих сигналам каналов связи, и формирования информационного потока;
блок формирования кадров, соединенный с мультиплексором и предназначенный для разделения информационного потока на информационные кадры и вставки в эти кадры заголовка, включающего в себя, по меньшей мере, заданную последовательность;
приемопередатчик с предыскажениями, соединенный с блоком формирования кадров кодера и допускающий соединение с двухпроводной шиной;
приемник с коррекцией предыскажений, который может быть соединен с двухпроводной шиной, и включающий в себя:
декодер, который может быть соединен с принимающей станцией и содержащий блок преобразования кадров, предназначенный для воспроизведения цифровых данных, соответствующих выбранным многоканальным сигналам, на основе информационных кадров, причем указанный блок преобразования кадров выполнен с возможностью использования предыдущего информационного кадра при регистрации ошибки для текущего информационного кадра;
схему синхронизации, содержащую контур фазовой синхронизации на основе последовательности, для дискретизации входящего информационного потока, используя указанную заданную последовательность, и для восстановления сигналов синхронизации системы, и
селектор каналов связи, соединенный с блоком преобразования кадров и обеспечивающую управление многоканальными сигналами, воспроизводимыми блоком преобразования кадров.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения предлагается способ широковещательного предоставления высокоскоростного обслуживания при помощи многоабонентской последовательной сети передачи данных содержит следующие этапы:
временное мультиплексирование данных высокоскоростного обслуживания для формирования информационного потока;
преобразование информационного потока в информационные кадры, снабженные заголовком и битом проверки четности, при этом заголовок имеет размер, меньший 32 битов;
передачу информационных кадров с предыскажениями по многоабонентской сети последовательной передачи данных;
прием информационных кадров с коррекцией предыскажений из многоабонентской сети последовательной передачи данных;
преобразование синхронизированных информационных кадров в предварительно выбранные данные высокоскоростного обслуживания.
Краткое описание чертежей
Подробное описание предпочтительных вариантов исполнения изобретения дается ниже со ссылками на следующие чертежи.
На фиг.1 приведена схема сетевой архитектуры со сквозной передачей данных, предназначенной для развлекательной аудиосистемы, встроенной в сиденье, в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 приведена схема кодера аудиоданных в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.3 приведена схема декодера аудиоданных в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.4 приведена схема ретранслятора данных в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.5 приведена схема формата информационного кадра в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показана система со сквозной передачей данных, предназначенная для широковещательной передачи аудио- и стереосигналов по множеству каналов связи с высоким качеством, к индивидуальным пассажирским сиденьям общественного транспортного средства при помощи многоабонентской сети 16 связи, также называемой двухпроводной шиной. Система содержит кодер 2 аудиоданных, декодер 4 аудиоданных и ретранслятор 6 данных. Кодер 2 выполняет (при необходимости) аналого-цифровое преобразование (АЦП, ADC) сигналов и формирует информационные кадры. Один канал связи RS-485 допускает одновременную передачу с использованием до пяти неуплотненных или до десяти уплотненных стереоканалов. Декодер 4 аудиоданных может быть встроен в подлокотник сиденья (не показано) пользователя. Дополнительные декодеры 4 могут быть соединены с сетью 16 для обслуживания большего числа пассажиров, при этом каждый пассажир имеет возможность выбрать аудиоканал для прослушивания в развлекательных целях. Ретранслятор 6 данных служит для восстановления, фильтрации и повторной передачи сигналов RS-485 в другой сегмент многоабонентской сети последовательной передачи данных, например, при необходимости, в следующий вагон состава (не показан).
Эту же систему можно применять для предоставления других услуг, например для предоставления доступа к сети Интернет, управления электроприборами пользователя и других целей, и в различных ситуациях, в частности в пассажирском самолете, на круизном теплоходе, в магазине дисков CD/DVD и т.д. Ретранслятор 6 используется только в случае необходимости.
В предлагаемой системе используется комбинация множества устройств, соединенных между собой оригинальным образом. Дельта-сигма аналого-цифровые преобразователи 8 (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи 10 (ЦАП) служат для выполнения аналого-цифрового преобразования и наоборот. Преобразователи этого типа обеспечивают избыточную дискретизацию частотой и модуляцию с замкнутым контуром, совместное использование которых позволяет формировать высококачественные цифровые сигналы.
Дельта-сигма АЦ-преобразователь отличается от АЦ-преобразователей другого типа, поскольку он производит дискретизацию входных сигналов с частотой, заметно превышающей максимальную входную частоту. Традиционные преобразователи, не использующие принцип избыточной дискретизации, например АЦ-преобразователи последовательного приближения, выполняют полное преобразование только одной выборки входного сигнала. Другое уникальное свойство дельта-сигма преобразователя состоит в использовании модулятора с замкнутым контуром (не показан). Модулятор не только непрерывно интегрирует ошибку, возникающую между результатом приблизительного АЦП и входным сигналом, но и ослабляет шумы. Подобная комбинация избыточной дискретизации и модуляции с замкнутым контуром позволяет получить очень мощную технологию.
Дельта-сигма концепцию также можно применять и в ЦА-преобразователе. Основное отличие между дельта-сигма АЦ и ЦА-преобразователями состоит в частоте следования выходных сигналов. В блоке АЦП используют прореживание для преобразования высокочастотных импульсов, имеющих небольшую разрешающую способность, в низкочастотные слова с более высокой разрешающей способностью. Дельта-сигма ЦАП, с другой стороны, выполняет обратную операцию. В данном случае выполняется операция интерполяции, позволяющая производить дискретизацию выходных цифровых сигналов с более высокой частотой. В результате получают выходные сигналы, имеющие высокую разрешающую способность/частоту и допускающие простую фильтрацию нижних частот для получения выходного аналогового сигнала.
В другой технологии используют приемопередатчики EIA-485 12 с предыскажениями 12 и соответствующими приемниками, имеющими функцию 14 коррекции предыскажений, что позволяет увеличить расстояние и скорость надежной передачи данных по шине 16 путем уменьшения уровня межсимвольных помех (ISI, МСП), возникающих в длинных кабелях.
Для снижения полной стоимости встроенной в сиденье аудиосистемы развлечения можно использовать модифицированную расширенную шину EIA-485 в качестве линии передачи цифровой информации между кодером 2 и декодером 4. Шина EIA-485 имеет три основных преимущества: она представляет собой шину, обеспечивает многоабонентскую передачу данных и является весьма экономичной в применении. Проблема состоит в необходимости передачи пяти (5) неуплотненных высококачественных цифровых стереосигналов по каналу связи с пропускной способностью, ограниченной на уровне 10 мегабит в секунду. Только для передачи аудиоданных требуется пропускная способность 7,056 мегабит в секунду. Следует отметить, что с увеличением скорости передачи данных возрастает вероятность появления ошибок.
Сеть 16 передачи цифровых аудиоданных допускает передачу до пяти (5) потоков аудио- и стереосигналов (10 потоков в фазе 2), включая потоковую передачу данных. Внесение предыскажений позволяет увеличить скорость передачи данных при большом количестве нагрузок.
Протокол EIA-485 является протоколом физического уровня. Шина EIA-485 допускает применение различных форматов информационных пакетов на уровне данных. Протокол использует в основном простые команды АСКОИ (ASCII, американский стандартный код обмена информацией). Обычно минимальная величина служебных данных составляет 32 бита (4 байта), что в ряде случаев не оптимально. В соответствии с настоящим изобретением предлагается ограничить служебные данные 16 битами.
Существуют широковещательные многоканальные устройства Е1/Т1. Устройства Е1 поддерживают скорость передачи данных 2 мегабита в секунду, а устройства Т1 соответственно поддерживают скорость передачи данных 1,5 мегабита в секунду, тогда как усовершенствованные устройства EIA-485 поддерживают до 35 мегабит в секунду. Таким образом, при одних и тех же частоте дискретизация и уровне качества (44,1 кГц для высококачественных стереосигналов) решение Е1/Т1 поддерживало бы меньшее количество каналов связи. Кроме того, технология Е1/Т1 представляет собой двухточечное решение. Для адаптации этой технологии к условиям многоабонентской сети требуется использовать дополнительные устройства, что приводит к усложнению и увеличению стоимости.
Мультиплексор 18 служит для выполнения временного мультиплексирования данных (ВМД) каналов связи при передаче по шине EIA-485 16. Этот же принцип мультиплексирования можно применять для других протоколов связи, например протокола RS-422, для предоставления обслуживания других видов.
В возможном варианте выполнения неуплотненные аудиоданные, формируемые аналого-цифровым преобразователем 8, имеют по 16 битов на канал и в каждом канале выполняют дискретизацию данных с частотой 43,17 кГц.
Таким образом, в соответствии с изобретением формируют несколько каналов передачи данных, мультиплексированных в формате ВМД по одной шине EIA-485. При этом система обеспечивает широковещательную передачу сигналов по множеству каналов связи (например, формируемых несколькими аудиосерверами 44) в одну или несколько принимающих станций 102 (например, в станции прослушивания звука) по двухпроводной шине 16, например шине EIA-485. Кодер 2 системы имеет мультиплексор 18, служащий для мультиплексирования цифровых данных, соответствующих сигналам каналов связи (например, сигналам, формируемым аудиосерверами 44), и формирования информационного потока. Блок формирования кадров 104 соединен с мультиплексором 18 и служит для разделения информационного потока на информационные кадры 32 (см. фиг.5). Приемопередатчик 12 с функцией внесения предыскажений соединен с блоком формирования кадров 104 кодера 2 и может быть соединен с двухпроводной шиной 16. Приемник 14 с функцией коррекции предыскажений может быть соединен с двухпроводной шиной 16. Декодер 4 системы соединен с приемником 14 и может быть соединен с принимающей станцией 102. Декодер 4 снабжен схемой 106 преобразования кадров/синхронизации, предназначенной для восстановления цифровых данных, соответствующих сигналам предварительно выбранных каналов связи, на основе информационных кадров 32, и для синхронизации блока преобразования кадров по отношению к информационным кадрам 32, и схемой выбора каналов связи 66 (см. фиг.3), соединенной с блоком 106 преобразования кадров и обеспечивающей выбор сигналов из множества каналов связи для восстановления блоком преобразования кадров 106.
Кодер 2 имеет дельта-сигма аналого-цифровые преобразователи 8, служащие для преобразования сигналов множества каналов в цифровую форму для мультиплексора 18. Аналогичным образом, декодер 4 имеет дельта-сигма цифроаналоговый преобразователь 10, соединенный с блоком преобразования кадров 106 для преобразования цифровых данных, соответствующих сигналам выбранных из множества каналов связи, в аналоговую форму для принимающей станции 102. В случае, когда сигналы множества каналов связи уже представлены в цифровой форме, допускается исключение преобразователей 8 в кодере 2. Кроме того, в случае использования в принимающей станции 102 цифрового входа допускается исключение преобразователей 10 из декодера 4.
Высокоскоростное обслуживание в режиме широковещания в многоабонентской сети последовательной передачи данных может быть выполнено с помощью системы путем временного мультиплексирования данных высокоскоростного обслуживания для формирования информационного потока, формирования на основе информационного потока информационных кадров 32 с заголовком 20, имеющим размер меньше 32 битов, и битом 22 проверки четности, передачи информационных кадров 32 с внесенными предыскажениями по многоабонентской сети 16 последовательной передачи данных, прием информационных кадров 32 с коррекцией предыскажений из многоабонентской сети 16 последовательной передачи данных, распознавания заданной последовательности битов в принятых информационных кадрах 32, синхронизации принятых информационных кадров 32 с использованием внутреннего сигнала синхронизации и внешнего сигнала синхронизации, выделенного из информационных кадров 32, после сравнения фаз, выполняемого после распознавания предварительно заданной последовательности битов, и преобразования синхронизированных информационных кадров 32 в предварительно выбранные данные высокоскоростного обслуживания.
На фиг.5 показана структура информационного кадра и протокола связи, служащих для мультиплексирования сигналов 24 ВМД при передаче этих сигналов по шине EIA-485 совместно с заголовком 20 минимального размера и данными 22 коррекции ошибок. В соответствии с настоящим изобретением можно, например, уменьшить количество служебных данных EIA-485 до 18 битов при использовании формата без уплотнения, что меньше, чем в любом из коммерческих вариантов применения. Каждый неуплотненный стереоканал связи включает в себя 32 бита. Пять отдельных каналов, дискредитированных с частотой 43,17 кГц, могут быть мультиплексированы в формате ВМД и переданы по одной шине EIA-485. Пропускная способность, требуемая для передачи пяти (5) неуплотненных стереосигналов каналов связи, составляет:
((5 каналов×2(стерео)×16 битов)+17 битов (заголовок)+
+1 бит (контроль четности))×43,17 кГц=7,6843 мегабит в секунду.
Пропускная способность, требуемая для передачи десяти (10) уплотненных (из 16 в 10) стереосигналов каналов, составляет:
((10 каналов связи×2(стерео)×10 битов)+11 битов (заголовок)+
+1 бит (контроль четности))×43,17 кГц=9,152 мегабит в секунду.
Фактически одна шина EIA-485 позволяет одновременно поддерживать до шести неуплотненных каналов (до десяти уплотненных каналов), поскольку полная пропускная способность не превышает 10 мегабит в секунду. Тем не менее, всегда полезно использовать как можно меньше пропускной способности канала связи, поскольку при приближении к граничному показателю 10 мегабит в секунду возрастает вероятность возникновения ошибок.
Для осуществления синхронизации предпочтительно используется размер заголовка 17 битов (11 битов в случае использования уплотнения данных) и предпочтительно включать бит 22 проверки четности. В результате удается уменьшить служебные данные для оптимального использования пропускной способности по сравнению с обычными системами, имеющими минимальную величину служебные данные 32 бита.
Как показано на фиг.1, процесс синхронизации кодера 2, декодера 4 и ретранслятора 6 может быть обеспечен с использованием кварцевого генератора 26, 28, 30 (см. фиг.2, 3 и 4), используемого в каждом из этих устройств, при этом синхронизация не требует дополнительных настроек. Процедура синхронизации может быть выполнена путем фазовой синхронизации местного сигнала синхронизации и внешнего сигнала синхронизации, выделенного из входящего информационного потока. Операция сравнения фаз может быть установлено так, чтобы оно выполнялось каждый раз после, например, детектирования, по меньшей мере, четырех последовательно передаваемых битов с высоким уровнем в заголовке 20 информационного кадра 32 для обеспечения постоянного порогового уровня при сравнении фазы. После этого синхронизацию фазы выполняют при поступлении очередной последовательности из четырех битов. Заголовок 20 содержит, по меньшей мере, четыре последовательно передаваемых бита с высоким уровнем для гарантированного выполнения операции сравнения фаз, по меньшей мере, один раз для каждого сообщения или кадра 32.
Также может быть предусмотрено управление ошибками в аудиоданных обслуживания, что позволяет исключить для конечного пользователя слышимые искажения аудиосигналов при возникновении сбоев. В каждой сети связи существует вероятность искажения передаваемых данных. Для управления подобными потенциальными проблемами используется бит 22 проверки четности, позволяющий проверять целостность принятых данных. Бит проверки четности является элементом каждого информационного кадра 32, например, из 178 битов. Это достаточно для гарантированного поддержания высоких параметров качества аудиосигналов. При возникновении ошибки анализатор 34 (см. фиг.3) не имеет возможности выбрать позицию некорректных данных; в этом случае используют стратегию обработки ошибок, состоящую в повторной передаче предшествующих аудиоданных. Аналогичную стратегию используют при потере детектирования информационных кадров или нарушении фазовой синхронизации. Два последних события должны быть исключены.
Можно использовать логарифмическое уплотнение данных с целью увеличения количества информационных каналов, передаваемых по одной линии EIA-485. Логарифмические кодер/декодер 36, 38 можно применять для использования большей части доступных уровней для слабых сигналов. Этот процесс можно рассматривать как уплотнение сигнала по амплитуде. Применение такой методики позволяет передавать до 10 аудио- и стереоканалов по одной информационной линии EIA-485.
Функция сетевого ретранслятора 6 может показаться очень простой, однако этот модуль имеет достаточно сложную структуру. В ретрансляторе используют ту же технологию, которую применяют в декодере 4 аудиоданных для отслеживания данных, однако в данном случае акцент делается на высокую точность слежения, а не на уменьшение времени реакции при слежении. Задачами ретранслятора является уменьшение уровня фазовых флуктуаций, компенсация фазовых сдвигов и сохранение целостности данных.
Задача уменьшения уровня фазовых флуктуаций в сети 16 решается путем использования контура 40 аналоговой и/или цифровой синхронизации фазы. Фазовые сдвиги сигналов, в основном, связаны с влиянием межсимвольных помех (МСП). МСП возникают вследствие нескольких эффектов деградации сигнала в сети. Один из эффектов связан с ослаблением сигнала и дисперсией частотных компонентов при распространении сигнала в линии передачи данных. Другой эффект связан с изменением длительностей передних и задних фронтов сигналов в результате изменения последовательности логических нулей и единиц и называется «эффектом фазового смещения, определяемого логической последовательностью». В результате воздействия указанных эффектов на информационный импульс уменьшается его амплитуда, появляется временной сдвиг, происходит уплощение фронтов и «наплывание» импульса на соседние временные сегменты или единичные интервалы. Синхронизация фазы ретранслятора 6 с фазой специально формируемого чистого импульса позволяет дискретизировать остальную часть потока аудиоданных с учетом этой фазы, что способствует заметному ослаблению уровня фазовых флуктуаций.
Для уменьшения стоимости всей системы допускается безадресная передача сигналов между вагонами в режиме широкого вещания. На уровне декодера имеется возможность использовать простую, но весьма эффективную процедуру повторного моделирования ошибок. Задачей ретранслятора является формирование не имеющих ошибок сигналов с ослабленными фазовыми флуктуациями для очередного вагона состава.
Совместно используемый источник питания 42 обеспечивает подачу напряжения питания на все компоненты системы. Вторичное напряжение питания, формируемое с помощью гальванической развязки, может быть выбрано на уровне 12 В. Каждое устройство предпочтительно снабжено индивидуальным изолированным источником питания. В качестве первичного напряжения питания можно использовать типовые напряжения. Каждый компонент системы снабжен расширенным последовательным портом EIA-485 (не показан). Для уменьшения утечки на землю и поддержания напряжения питания в соответствующем стандартном диапазоне предпочтительно предусматривается гальваническая развязка всех интерфейсов связи.
Кодер 2 обеспечивает оцифровывание пяти аналоговых стереосигналов каналов связи, формируемых аудиосерверами 44. Для поддержания высокого уровня качества сигналов используются дельта-сигма преобразователи 8. Аналоговый интерфейс между аудиосерверами 44 и дельта-сигма преобразователями 8 может быть организован на основе усилителей 46 и фильтров нижних частот 48. Усилители 46 обеспечивают согласование уровня преобразования сигналов, а фильтры нижних частот 48 служат для уменьшения потенциальных искажений, возникающих вследствие наложения спектров. Блок 50 уплотнения ТС (LUT, таблицы соответствия) и блок 108 разуплотнения ТС (см. фиг.1) могут использоваться в случае необходимости.
Одна из целей изобретения заключается в создании возможности передачи пяти неуплотненных высококачественных цифровых стереосигналов по канал с пропускной способностью, ограниченной на уровне 10 мегабит в секунду. Собственно, для передачи самого аудиосигнала требуется пропускная способность 6,907 мегабит в секунду. При увеличении скорости передачи данных возрастает число ошибок и увеличивается уровень фазовых флуктуаций. Количество служебных данных снижается путем использования заголовка 20, включающего в себя 17 битов, и один бит 22 проверки четности (см. фиг.5). При появлении в информационном потоке последовательности, соответствующей заголовку 20, сигнал в текущем канале передачи аудиоданных может быть заменен нулевым сигналом при условии, что декодер 4 имеет возможность правильно интерпретировать подобную информацию.
Структура заголовка 20 обеспечивает устойчивость к возникновению различных проблем. Заголовок 20 передают за время, меньшее времени передачи аудиоданных, для формирования качественной индикаторной диаграммы на уровне линии связи. Использование одного бита 22 проверки четности в расчете на один кадр 32 аудиоданных позволяет эффективно выявлять ошибки, возникающие в каждом кадре 32.
Формирование потока аудиоданных с заданной скоростью передачи требует использования различных частотных компонентов. На практике соотношение между скоростью вывода битов и опорной частотой составляет 0,6953125 (89/128). Это соотношение получено путем деления количества служебных данных, добавленных к данным, с учетом числа каналов передачи, на частоту дискретизации, используемой преобразователями 8 избыточной дискретизации. Для генерирования такой частоты можно использовать контур синхронизации фазы, имеющий один программируемый делитель 52 в контуре (N) обратной связи и еще один на выходе (М), который служит для формирования соответствующих частотных компонентов. Частота формируемого компонента составляет: Fout=Fref*N/M. Другой программируемый делитель 54 служит для деления частоты 11,052 МГц кварцевого генератора 26 на восемь (8), получая сигнал с частотой 1,3815 МГц, используемый регистрами 56 сдвига, в то же время синхронизация преобразователей 59 параллельного кода в последовательный, а также анализатора и контроллера 58 потока битов, разделяющего информационный поток на информационные кадры, осуществляется от помощью делителя 52.
Может быть предусмотрен способ подавления всех цифровых аудиоканалов. Команда 60 подавления может поступать от внешнего устройства (не показано). Один из вариантов использования этой процедуры предполагает продолжение передачи предшествующих данных в течение всего периода действия команды 60 подавления.
Проверку аудиосистемы достаточно сложно выполнить с использованием реальных данных. Аудиоданные обычно сложные, поэтому отслеживание процесса прохождения этих данных в системе представляет собой сложную задачу. Для упрощения проверки всей системы можно использовать генератор последовательностей (не показан) в одном из аудиосерверов 44. В этом случае вместо отбора выборок из АЦП-преобразователя 8 получают некоторые заданные последовательности от генератора последовательностей.
На фиг.3 показана структурная схема декодера аудиоданных 4, являющегося наиболее ответственным компонентом системы. Хотя это устройство имеет сложную структуру, оно остается относительно недорогим. Декодер 4 позволяет поддерживать высокие параметры качества звуковых сигналов даже в сложных условиях связи. Вся система разработана так, что она обеспечивает высококачественный звук без обратной связи с кодером 2. Декодер 4 синхронизируется по входящему информационному потоку, выделяет стереосигналы каналов связи, проверяет наличие возможных повреждений данных и выполняет свою функцию. В результате даже в условиях возникновения искажений сигналов слушатель не слышит посторонние звуки.
Основную частоту задают одинаковой для кодера 2 и декодера 4. Даже при использовании в обоих этих устройствах кварцевых генераторов величина расхождения частот не превышает нескольких миллионных. В данном случае стратегия предполагает дискретизацию данных с частотой, превышающей в 8 раз скорость ввода данных, и контроль фазового соотношения с внутренним опорным сигналом. Используемый алгоритм допускает небольшие фазовые изменения опорного сигнала. С течением времени подобные изменения могут стать неприемлемыми и инициировать выполнение процедуры подстройки фазы. Можно видеть, что от блока 62 дискретизации до управляемого напряжением кварцевого генератора (УНКГ, VCXO) 28 предусмотрена обратная связь 64. Даже, несмотря на то что генератор 28 выполнен на основе кварцевого резонатора, его частота может изменяться в диапазоне до ±100 частей на миллион. При использовании этого приема появляется возможность исключить накопление фазового сдвига, поскольку опорная частота будет всегда синхронизирована по входящему информационному потоку. Сравнение фаз может выполняться каждый раз после регистрации, по меньшей мере, четырех последовательно передаваемых битов высокого уровня в заголовке 20, что позволяет поддерживать постоянный пороговый уровень для компаратора фазы (в каскаде 62 дискретизации). Затем фазу синхронизируют по очередной последовательности из четырех битов (такая последовательность является компонентом заголовка).
Показанная на фиг.3 архитектура не позволяет проследить порядок выполнения операций по разуплотнению данных. Это необязательное свойство может быть основано на следующем простом принципе: обратная логарифмической функция может быть закодирована и размещена в специально выделенном блоке 38 памяти (см. фиг.1). Эта функция является обратной логарифмической функции, записанной в блоке 36 памяти кодера 2. Благодаря применению этих функций можно придать сигналам хорошие динамические характеристики при минимальных искажениях.
Пользовательский интерфейс 66 может быть ограничен четырьмя нажимными кнопками 68, служащими для выбора каналов и регулирования громкости. Каждый переключатель кнопок 68 обеспечивает исключение эффекта дребезга с помощью схем 70 исключения дребезга, и соответствующие команды, например команды увеличения/уменьшения 72 номера канала и увеличения/уменьшения 74 уровня громкости, передают в соответствующий блок, в частности в анализатор 34 и усилители 76 с регулируемым коэффициентом усиления. Регулирование уровня громкости может быть выполнено при помощи цифровых потенциометров логарифмического типа, снабженных индивидуальными счетчиком 76 и регистром 80 сдвига, принимающими соответствующие данные от последовательного порта. Для выбора каналов связи управляют всей работой устройства, при этом в анализаторе 34 установлен простой счетчик для каждого канала связи.
В каждой сети связи существует определенная вероятность нарушения целостности данных. Для исключения такой потенциальной проблемы в системе предусмотрено использование бита 22 проверки четности (см. фиг.5), позволяющего проверить целостность передаваемых данных. Этот бит является элементом каждого информационного кадра 32 из 178 битов, что должно быть достаточным для надежного поддержания качества аудиосигналов. При возникновении ошибки анализатор 34 не имеет возможности выбрать позицию некорректных данных. Стратегия обработки ошибок предусматривает повторное использование предшествующих аудиоданных. Таким образом, блок 106 преобразования кадров допускает использование предшествующего информационного кадра 32 при выявлении ошибки для текущего информационного кадра. Аналогичная стратегия применяется при отказе функции распознавания информационных кадров или при нарушении фазовой синхронизации. Последние две ситуации должны быть исключительными.
В конфигурации сети непрерывной передачи цифровых аудиосигналов предполагается наличие кодера 2 аудиоданных, обслуживающего до нескольких сотен декодеров 4 аудиоданных. Такая высокая производительность требует использования конструкции, обеспечивающей возможность проведения быстрой проверки работоспособности персоналом предприятия-изготовителя. Конструкция декодера предполагает передачу функций управления пользователя во внешнее интеллектуальное устройство (не показано). Это устройство должно быть выполнено с возможностью направлять команды увеличения/уменьшения номера канала связи и увеличения/уменьшения уровня громкости, а также проверку показателей гармонических искажений для аудиосигналов и показателей надежности связи. Такое устройство также может решать задачу проверки корректности функционирования интерфейса 66 нажимных кнопок. Все производственные испытания могут проводиться с помощью трехпроводного интерфейса: данные, сигналы синхронизации, нагрузка.
Декодер аудиоданных 4 не требует каких-либо настроек. Единственная установка в условиях эксплуатации связана с установкой, если необходимо, шлейфа для контактов RS-485.
Декодер 4 декодирует входящие информационные кадры при помощи декодеров 82 преобразования последовательного кода в параллельный, и регистров 84 сдвига, под управлением анализатора 34. Фильтры нижних частот 86 можно использовать для фильтрации аудиосигналов выбранных каналов перед усилением.
На фиг.4 показана схема ретранслятора 6 данных, в котором используется та же технология, разработанная для декодера 4 аудиоданных, позволяющая отслеживать данные, однако в данном случае акцент делается на достижение высокой точности слежения, а не на обеспечение быстрой реакции в процессе слежения. Задача ретранслятора состоит в снижении уровня фазовых флуктуаций, компенсации фазовых сдвигов и поддержании целостности данных.
Как отмечено выше, стратегия отслеживания фазы аналогична стратегии, применяемой декодером 4 аудиоданных, при этом блок 92 дискретизации синхронизирован по фазе с входными данными с помощью контура обратной связи, содержащего компаратор 94 фазы, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 90, управляемый напряжением кварцевый генератор 30, программируемый делитель частоты 98 и опорную схему 96. Существенное различие между ретранслятором 6 и декодером 4 состоит в его большей точности. Вместо дискретизации входных данных с частотой, превышающей в 8 раз скорость входных данных, их дискретизацию выполняют с частотой в 16 большей. Более того, вместо контура обратной связи с тремя разными условиями (+100 частей на миллион, 0 частей на миллион, -100 частей на миллион) для управляемого напряжением кварцевого генератора (УНКГ) 30 добавлена обратная связь 88 с 16 уровнями контроля. Операция сравнения может выполняться один раз на информационный кадр, а фаза может быть синхронизирована для остальной части информационного потока. Переключение фазы может инициироваться при обнаружении определенной последовательности в заголовке 20. Заголовок 20 уменьшает влияние электрических наводок в кабеле связи.
Линии передачи данных подвержены воздействию электрических импульсов или высокоинтенсивного импульсного излучения. Для уменьшения искажений, привносимых в данные на уровне ретранслятора, предусматривается цифровая фильтрация входных данных с использованием цифрового фильтра 100. Фильтрация может быть выполнена путем многократной выборки входных данных в течение их рабочего периода времени и проведения корреляционного анализа между выборками.
Настоящее изобретение решает несколько проблем предшествующего уровня техники. Изобретение позволяет создать систему сквозной передачи данных, которая может передавать цифровые данные множества каналов связи по одной шине EIA-485. Это позволяет уменьшить полосу пропускания, требуемую для передачи данных обслуживания по шине EIA-485. Это также позволяет развертывать высокоскоростное обслуживание на больших расстояниях. Предложенный подход позволяет уменьшить число требуемых шин и соответствующих аппаратных устройств. Подобный подход также позволяет исключить необходимость применения более дорогостоящих протоколов многоабонентской, многоадресной передачи данных. Предложен весьма простой принцип синхронизации между кодером, декодером и ретранслятором. Также предложен способ коррекции поврежденных данных. Предложено использовать логарифмическое уплотнение данных для дополнительного увеличения числа каналов связи, поддерживаемых в одной шине EIA-485. Система требует весьма небольшого пространства для размещения аппаратных устройств и кабельных соединений. Экономия пространства является существенным преимуществом при использовании системы в транспортных средствах.
Настоящее изобретение определяет протоколы связи на физическом уровне и протоколы связи для уровней, расположенных над физическим уровнем, и позволяет передавать цифровые информационные сигналы на основе временного мультиплексирования (ВМД) при помощи шины EIA-485 со скоростью до 10 мегабит в секунду на расстояния, превышающие 150 м.
Следует понимать, что различные изменения и модификации могут быть внесены в приведенные выше варианты выполнения, не выходящие за пределы сущности изобретения. Так, например, в декодере 4 могут использоваться два дельта-сигма цифроаналоговых преобразователя 10, соединенных с блоком преобразования кадров (образованного схемами 34, 82, 84) для преобразования цифровых данных, соответствующих двум независимо выбранным сигналам из множества каналов связи, предназначенных для передачи в две станции 102. При этом один приемник 14 может быть соединен с множеством декодеров 4.
1. Система широковещательной передачи сигналов по множеству каналов связи в принимающую станцию по двухпроводной шине, содержащая:
кодер, включающий
мультиплексор, предназначенный для мультиплексирования цифровых данных, соответствующих сигналам каналов связи, и формирования информационного потока;
блок формирования кадров, соединенный с мультиплексором и предназначенный для разделения информационного потока на информационные кадры и вставки в указанные информационные кадры заголовка, содержащего, по меньшей мере, заданную последовательность; приемопередатчик с предыскажениями, соединенный с блоком формирования кадров кодера и допускающий соединение с двухпроводной шиной;
приемник с коррекцией предыскажений, который может быть соединен с двухпроводной шиной, причем указанный приемник содержит:
декодер, выполненный с возможностью соединения с принимающей станцией, и включающий блок преобразования кадров, предназначенный для воспроизведения цифровых данных, соответствующих выбранным многоканальным сигналам, на основе информационных кадров, причем указанный блок преобразования кадров выполнен с возможностью использования предыдущего информационного кадра при регистрации ошибки для текущего информационного кадра;
схему синхронизации, включающую контур фазовой синхронизации на основе последовательности, для дискретизации входящего информационного потока, используя указанную заданную последовательность, и восстановления сигналов синхронизации системы; и
схему селектора каналов, соединенную с блоком преобразования кадров и предназначенную для управления многоканальными сигналами для воспроизведения данных блоком преобразования кадров.
2. Система по п.1, в которой
кодер имеет дельта-сигма аналого-цифровые преобразователи для преобразования многоканальных сигналов в цифровую форму для мультиплексора; и
декодер имеет дельта-сигма цифроаналоговый преобразователь, соединенный с блоком преобразования кадров для преобразования цифровых данных, соответствующих выбранным многоканальным сигналам, в аналоговую форму для принимающей станции.
3. Система по п.2, в которой кодер содержит аналоговые интерфейсы, соответственно снабженные усилителями, последовательно соединенными с фильтрами нижних частот, для усиления и фильтрации сигналов множества каналов связи, передаваемых в дельта-сигма аналого-цифровые преобразователи.
4. Система по п.1, в которой
кодер содержит схему уплотнения данных, предназначенный для уплотнения цифровых данных, поступающих на вход блока формирования кадров; и
декодер содержит схему разуплотнения данных, предназначенный для разуплотнения цифровых данных, формируемых на выходе блока преобразования кадров.
5. Система по п.4, в которой схема уплотнения данных и схема разуплотнения данных содержит таблицы соответствия, определяющие функции уплотнения и разуплотнения данных соответственно.
6. Система по п.4, в которой схема уплотнения данных и схема разуплотнения данных соответственно выполнены с возможностью выполнения операций логарифмического преобразования и обратного логарифмического преобразования.
7. Система по п.1, в которой мультиплексор выполнен с возможностью временного мультиплексирования данных.
8. Система по п.1, в которой указанный заголовок создает меньшее число переходов по сравнению с числом переходов цифровых данных.
9. Система по п.8, в которой заголовок имеет размер, равный 17 битам.
10. Система по п.1, в которой информационные кадры включают в себя бит проверки четности, служащий для проверки целостности данных декодером.
11. Система по п.1, в которой схема синхронизации содержит схему дискретизации, предназначенную для дискретизации информационных кадров с частотой, в несколько раз превышающей скорость ввода данных, схему проверки для проверки фазового соотношения между информационными кадрами и внутренним опорным сигналом и контур фазовой синхронизации, использующий выходной сигнал схемы проверки для коррекции фазы схемой синхронизации.
12. Система по п.11, в которой схема проверки выполнена с возможностью сравнения фаз после распознавания заданной последовательности битов в информационном потоке.
13. Система по п.1, в которой селектор каналов содержит пользовательский интерфейс для выбора указанных многоканальных сигналов.
14. Система по п.1, в которой декодер содержит усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, предназначенный для усиления выбранных многоканальных сигналов, и пользовательский интерфейс, предназначенный для регулирования коэффициента усиления усилителя с регулируемым коэффициентом усиления.
15. Система по п.1, в которой блок преобразования кадров содержит анализатор синхронизации, принимающий сигнал, обозначающий выбранные многоканальные сигналы, и схему преобразования последовательного кода в параллельный, управляемую анализатором для получения цифровых данных в параллельной форме.
16. Система по п.1, дополнительно содержащая ретранслятор данных, выполненный с возможностью соединения двухпроводной шины с дополнительной двухпроводной шиной, предназначенный для восстановления, фильтрации и повторения информационных кадров с целью последующей передачи по дополнительной двухпроводной шине.
17. Система по п.16, в которой
ретранслятор данных содержит блок дискретизации, служащий для дискретизации информационных кадров с частотой, превышающей в несколько раз скорость ввода данных, схему проверки, предназначенную для проверки фазового соотношения с внутренним опорным сигналом, схему обратной связи, регистрирующую выходной сигнал схемы проверки для коррекции внутреннего опорного сигнала, используемого блоком дискретизации и схемой проверки, и схему коррекции, предназначенную для коррекции фазы информационных кадров, формируемых на выходе ретранслятора; и
система дополнительно содержит приемопередатчик с предыскажениями, соединенный с ретранслятором данных и выполненный с возможностью соединения с дополнительной двухпроводной шиной.
18. Система по п.17, в которой ретранслятор данных имеет фазу, соответствующую фазе одного чистого импульса, специально формируемого кодером, при этом выборку информационных кадров выполняют блоком дискретизации с учетом этой фазы.
19. Система по п.17, в которой схема коррекции содержит цифровой фильтр.
20. Система по п.17, в которой степень превышения частоты больше степени превышения частоты дискретизации информационных кадров при синхронизации декодером.
21. Система по п.1, в которой сигналы множества каналов связи содержат многоканальные аудиостереосигналы, а принимающая станция содержит станцию прослушивания аудиосигналов.
22. Система по п.1, в которой многоканальные сигналы представлены данными высокоскоростного обслуживания.
23. Система по п.2, в которой декодер содержит, по меньшей мере, один дополнительный дельта-сигма цифроаналоговый преобразователь, соединенный с блоком преобразования кадров для преобразования цифровых данных, соответствующих дополнительным выбранным многоканальным сигналам.
24. Система по п.1, в которой приемник содержит выходы для соединения с декодером и дополнительными аналогичными декодерами.
25. Система по п.1, в которой двухпроводная шина образует многоабонентскую сеть последовательной передачи данных.
26. Способ широковещательного высокоскоростного предоставления обслуживания по многоабонентской сети последовательной передачи данных, содержащий:
временное мультиплексирование данных высокоскоростного обслуживания для формирования информационного потока; преобразование информационного потока в информационные кадры, снабженные заголовком и битом проверки четности, при этом заголовок имеет размер меньший 32 битов;
передачу информационных кадров с предыскажениями по многоабонентской сети последовательной передачи данных;
прием информационных кадров с коррекцией предыскажений из многоабонентской сети последовательной передачи данных;
распознавание заданной последовательности битов в принятых информационных кадрах;
синхронизацию принятых информационных кадров, используя внутренний сигнал синхронизации и внешний сигнал синхронизации, выделенный из информационных кадров после сравнения фаз, выполненного после распознавания заданной последовательности битов; и
преобразование синхронизированных информационных кадров в предварительно выбранные данные высокоскоростного обслуживания.
27. Способ по п.26, дополнительно содержащий аналого-цифровое преобразование данных высокоскоростного обслуживания до мультиплексирования данных и цифроаналоговое преобразование выбранных данных высокоскоростного обслуживания после преобразования информационных кадров.
28. Способ по п.27, в котором аналого-цифровое преобразование и цифроаналоговое преобразование содержат дискретизацию с избыточной частотой и модуляцию с замкнутым контуром обратной связи данных высокоскоростного обслуживания.
29. Способ по п.26, в котором данные высокоскоростного обслуживания содержат сигналы множеству каналов связи, передаваемых в режиме широкого вещания.
30. Способ по п.26, дополнительно содержащий преобразование параллельного кода в последовательный для данных высокоскоростного обслуживания перед мультиплексированием данных и преобразование последовательного кода в параллельный для выбранных данных высокоскоростного обслуживания.
31. Способ по п.26, дополнительно содержащий проверку целостности данных синхронизированных информационных кадров при помощи бита проверки четности.
32. Способ по п.31, в котором используют предшествующий принятый информационный кадр при выявлении состояния ошибки для текущего принимаемого информационного кадра.
33. Способ по п.26, в котором высокоскоростное обслуживание содержит передачу многоканальных аудиосигналов в режиме широкого вещания в станции прослушивания аудиосигналов, соединенные с многоабонентской сетью последовательной передачи данных.
34. Способ по п.26, в котором заданная последовательность битов расположена в заголовке информационных кадров.
35. Способ по п.26, дополнительно содержащий уплотнение данных высокоскоростного обслуживания до формирования информационных кадров и разуплотнение выбранных данных высокоскоростного обслуживания после преобразования информационных кадров.
36. Способ по п.26, дополнительно содержащий повторение информационных кадров для передачи по другому сегменту многоабонентской сети последовательной передачи данных.
37. Способ по п.26, в котором повторение содержит дискретизацию информационных кадров с частотой, превышающей в несколько раз скорость ввода данных, проверку фазового соотношения с внутренним опорным сигналом, коррекцию фазы информационных кадров, направляемых в другой сегмент, и передачу информационных кадров с предыскажениями в другой сегмент.
38. Способ по п.37, дополнительно содержащий вставку чистого импульса в информационные кадры и синхронизацию фазы по чистому импульсу для дискретизации информационных кадров.
39. Способ по п.37, в котором степень превышения частоты больше степени превышения частоты дискретизации информационных кадров при синхронизации.
