Приемопередающее устройство для подсоединенного к сети передачи данных компонента автомобиля
Группа изобретений относится к электронному оборудованию автомобилей. Приемопередающее устройство для подсоединенного к сети передачи данных (СПД) компонента автомобиля содержит несколько передающих блоков и несколько приемных блоков, предназначенных соответственно для передачи и приема данных по СПД, которая служит для передачи данных между компонентом и другими подсоединенными к ней компонентами. Каждый из передающих и приемных блоков обеспечивает по меньшей мере один отдельный канал соответственно для передачи и приема данных по СПД. С помощью нескольких передающих и/или нескольких приемных блоков в одной и той же СПД реализовано несколько шинных систем с одновременной передачей данных по ним. Некоторые из каналов передачи данных выделены для передачи относящихся к обеспечению безопасности сообщений. Система передачи данных состоит из СПД и нескольких подсоединенных к ней компонентов автомобиля. Каждый из компонентов оснащен приемопередающим устройством, содержащим несколько передающих блоков и/или несколько приемных блоков, предназначенных соответственно для передачи и приема данных по СПД, которая служит для передачи данных между компонентами. Каждый из передающих и приемных блоков обеспечивает по меньшей мере один отдельный канал соответственно для передачи и приема данных по сети передачи данных. С помощью нескольких передающих и/или приемных блоков в одной и той же СПД реализовано несколько шинных систем с одновременной передачей данных по ним. Некоторые из каналов передачи данных выделены для передачи относящихся к обеспечению безопасности сообщений. Группа изобретений обеспечивает надежный, эффективный и помехоустойчивый обмен данными между различными компонентами автомобиля. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил.
Уровень техники
Настоящее изобретение относится к приемопередающему устройству для подсоединенного к сети передачи данных компонента автомобиля. Такое приемопередающее устройство содержит по меньшей мере один передающий блок, предназначенный для передачи данных по сети передачи данных, и по меньшей мере один приемный блок, предназначенный для приема данных, передаваемых по сети передачи данных. Сеть передачи данных служит при этом для передачи данных между компонентом автомобиля и другими подсоединенными к ней компонентами автомобиля.
Изобретение относится также к расположенной в автомобиле системе передачи данных, состоящей из сети передачи данных и нескольких подсоединенных к ней компонентов автомобиля. Каждый из таких компонентов автомобиля оснащен приемопередающим устройством, содержащим по меньшей мере один передающий блок, предназначенный для передачи данных по сети передачи данных, и по меньшей мере один приемный блок, предназначенный для приема данных, передаваемых по сети передачи данных. Сеть передачи данных служит при этом для передачи данных между компонентами автомобиля.
В настоящее время обмен данными в автомобиле между различными его компонентами, такими, например, как устройство управления механизмами запирания дверей и устройство управления механизмами регулировки сидений, осуществляется, в частности, с помощью шинной системы, работающей, например, на основе стандарта CAN (от англ. "Controller Area Network", локальная сеть для обмена данными между органами управления) или стандарта LIN (от англ. "Local Interconnect Network", локальная сеть связи между органами управления).
Из более ранних патентных заявок на имя фирмы Robert Bosch GmbH известна возможность применения электрической бортовой сети автомобиля, которая исходно служит для подвода электроэнергии к его компонентам, и для обмена данными между ними (см. заявки DE 10142408 и DE 10142410, обе поданы 31.08.2001). Подобную технологию обмена данными по электрической бортовой сети автомобиля, служащей для подвода электроэнергии к его компонентам, называют также технологией передачи данных по электросети.
Для обмена данными между компонентами автомобиля по шинным системам и/или по электросети требуются высокопроизводительные и помехоустойчивые приемопередающие устройства (так называемые трансиверы), которые даже в тяжелых условиях гарантируют надежный обмен данными между компонентами автомобиля. Через такой трансивер компоненты автомобиля получают доступ к сети передачи данных. Помехи, которые могут ухудшить передачу данных, могут исходить от подсоединенных к электропроводке источников импульсных помех, но также от источников импульсных помех, излучающих паразитные импульсы, воздействующие на электрическую бортовую сеть автомобиля. Источниками импульсных помех в электропроводке могут являться, например, процессы включения-выключения потребителей электроэнергии, а также процессы зажигания. При этом в первом случае речь идет прежде всего о любых процессах включения-выключения в автомобиле любого электрического, подсоединенного к его электрической бортовой сети потребителя, например, устройства для регулирования положения сиденья, звукового сигнала (клаксона), осветительных приборов и т.д. Появление помех, обусловленных процессами зажигания, характерно прежде всего для систем зажигания током высокого напряжения, используемых, например, в двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси.
Используемые в подобного рода сетях передачи данных трансиверы должны прежде всего обеспечивать также возможность передачи без задержки сообщений от компонентов, управляющих работой систем безопасности, например, команд на срабатывание пускового аппарата надувной подушки безопасности или выдаваемых системой поддержания курсовой устойчивости транспортного средства управляющих воздействий на срабатывание тормозных механизмов.
В основу настоящего изобретения была положена задача - обеспечить надежную, эффективную и помехоустойчивую передачу данных в автомобиле между различными его компонентами.
Применительно к приемопередающему устройству указанного в начале описания типа эта задача решается благодаря тому, что в приемопередающем устройстве предусмотрено несколько передающих блоков, каждый из которых обеспечивает по меньшей мере один отдельный канал для передачи данных по сети передачи данных, и/или несколько приемных блоков, каждый из которых обеспечивает по меньшей мере один отдельный канал для приема данных, передаваемых по сети передачи данных.
Преимущества изобретения
Предлагаемое в изобретении приемопередающее устройство (так называемый трансивер) позволяет без временной задержки передавать данные в автомобиле по так называемым специальным каналам между отдельными его компонентами, поддерживая между ними связь во всей сети передачи данных, прежде всего обеспечивает возможность прямой передачи данных между ними. Благодаря применению предлагаемых в изобретении трансиверов в сети передачи данных появляется возможность реализовать технологию передачи данных по электросети для параллельного использования различных сервисов, шинных систем и приложений.
Предлагаемый в изобретении трансивер позволяет использовать электропроводку электрической бортовой сети автомобиля, основная функция которой состоит в подводе электроэнергии к его компонентам, для совместной передачи электроэнергии и информации и тем самым отказаться от использования отдельных линий передачи данных, таких, например, как используемые в CAN-шине. За счет применения при этом пригодного для этой цели метода передачи данных в сочетании с соответствующим методом восстановления сигналов удается сделать всю систему передачи данных по существу не чувствительной к аддитивным помехам, обусловленным процессами включения-выключения запитываемого от электрической бортовой сети электрооборудования автомобиля.
Еще одной важной особенностью предлагаемого в изобретении трансивера является обеспечение специальных каналов для передачи важных с точки зрения обеспечения безопасности сообщений. Наличие таких специальных каналов позволяет передавать по ним подобного рода сообщения безо всякой временной задержки, обусловленной возможными временными циклами ожидания на протокольном уровне шинной системы коллективного пользования, имеющей только один единственный канал. Благодаря поддержке параллельной работы нескольких шинных систем в одной и той же среде, под которой подразумевается физическая среда для организации каналов передачи данных, удается дополнительно сократить количество физических линий передачи данных, поскольку в этом случае появляется, например, возможность организовать одновременный обмен данными в системах с LIN- и CAN-шиной через одну и ту же среду. Так, в частности, передачу данных через электрическую бортовую сеть автомобиля можно помимо прочего одновременно использовать в качестве резервного или дублирующего уровня для различных шинных систем для возможности поддержания процесса передачи по ней данных при выходе из строя одной из шинных систем. Для разделения отдельных каналов, относящихся к различным шинным системам, можно использовать либо ортогональные коды, либо частотное разделение, при котором каждому каналу выделяется своя собственная полоса частот во всем используемом для передачи данных частотном диапазоне. Используемые для передачи информации сигналы выбираются при этом ортогональной друг по отношению к другу формы, что позволяет расположить несущие частоты, выделенные отдельным каналам, очень близко друг к другу.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один из каналов предусмотрен для передачи данных по электрической бортовой сети автомобиля и/или приема данных, передаваемых по электрической бортовой сети автомобиля, которая при этом служит для подвода электроэнергии к соответствующему компоненту и одновременно для передачи данных между этим компонентом и другими подсоединенными к ней компонентами. Подобная технология передачи данных называется также технологией передачи данных по электросети.
В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения процесс передачи данных по электрической бортовой сети автомобиля и/или приема данных, передаваемых по электрической бортовой сети автомобиля, организован в качестве резервного или дублирующего уровня для возможности поддержания процесса передачи данных при выходе из строя по меньшей мере одного из каналов, предусмотренных для передачи данных по другой, отличной от электрической бортовой сети автомобиля сети передачи данных и/или для приема данных, передаваемых по другой, отличной от электрической бортовой сети автомобиля сети передачи данных. В этом случае электрическая бортовая сеть автомобиля предпочтительно используется для передачи важных с точки зрения обеспечения безопасности данных.
Для разделения каналов предпочтительно используется кодирование передаваемых данных в ортогональных кодах, например, метод множественного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР). Альтернативно кодовому разделению каналов или в дополнение к нему для разделения каналов можно также использовать частотное разделение, когда каждому каналу выделяется своя собственная несущая частота, например метод множественного доступа с частотным разделением (МДЧР). При использовании МДКР-метода все компоненты ("абоненты") используют один и тот же частотный диапазон. При этом полезный сигнал кодируется различными для каждого компонента кодовыми последовательностями. При использовании МДКР-метода кодирование основано на растягивании полосы пропускания канала передачи несущих полезную информацию сигналов. При использовании МДЧР-метода весь используемый для передачи данных частотный диапазон разбивается на соответствующее числу отдельных каналов неперекрывающихся узких частотных поддиапазонов и каждому каналу выделяется собственный частотный поддиапазон. Таким путем предотвращается нежелательное влияние каналов друг на друга.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения для модуляции несущей передаваемыми данными предлагается использовать относительную двухпозиционную фазовую манипуляцию (ОДФМн). В другом варианте для модуляции несущей передаваемыми данными предлагается использовать относительную квадратурную фазовую манипуляцию (ОКФМн). Очевидно, что в этих же целях могут использоваться и иные методы дискретизации, соответственно передачи данных.
В отношении системы передачи данных указанного в начале описания типа положенная в основу настоящего изобретения задача решается благодаря тому, что каждое приемопередающее устройство содержит несколько передающих блоков, каждый из которых обеспечивает по меньшей мере один отдельный канал для передачи данных по сети передачи данных, и/или несколько приемных блоков, каждый из которых обеспечивает по меньшей мере один отдельный канал для приема данных, передаваемых по сети передачи данных.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения сеть передачи данных представляет собой электрическую бортовую сеть автомобиля, которая служит для подвода электроэнергии к компонентам автомобиля и одновременно для передачи данных между ними.
Чертежи
Другие отличительные особенности, возможности применения и преимущества изобретения более подробно рассмотрены в последующем описании на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи. При этом все рассмотренные в последующем описании или представленные на чертежах признаки изобретения индивидуально или в любых сочетаниях между собой характеризуют объект изобретения вне зависимости от их объединения в пунктах формулы изобретениями подчиненности пунктов формулы изобретения, а также вне зависимости от их формулировки в описании, соответственно представления на чертежах. На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - схема передающего блока предлагаемого в изобретении приемопередающего устройства в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения,
на фиг.2 - схема приемного блока предлагаемого в изобретении приемопередающего устройства в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения,
на фиг.3 - зависимость вероятности Рb появления ошибок в двоичных разрядах (битах) от отношения сигнал-шум Еb/N0 при использовании различных методов передачи данных по электрической бортовой сети автомобиля,
на фиг.4 - сравнительная диаграмма, на которой между собой сопоставлены графики частоты появления ошибок синхронизации при использовании и без использования дополнительного кодирования в манчестерском коде,
на фиг.5 - различные последовательности Баркера, используемые для кадровой синхронизации и синхронизации циклов передачи данных,
на фиг.6 - сравнительная диаграмма, на которой между собой сопоставлены графики частоты появления ошибок синхронизации при использовании последовательности Баркера длиной L, равной 13, и модифицированной последовательности Баркера длиной L, равной 14,
на фиг.7 - представленные в графическом виде результаты, полученные при кадровой синхронизации и при синхронизации циклов передачи данных с использованием последовательности Баркера длиной L, равной 7, и сформированной на ее основе модифицированной последовательности Баркера длиной L, равной 14,
на фиг.8 - предлагаемое в изобретении приемопередающее устройство с n частотно-разделенными каналами и одним каналом коллективного пользования,
на фиг.9 - предлагаемая в изобретении система передачи данных в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, и
на фиг.10 - предлагаемое в изобретении приемопередающее устройство, используемое в показанной на фиг.9 системе передачи данных, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения.
Описание вариантов осуществления изобретения
Приемопередающее устройство (так называемый приемопередатчик данных или трансивер) подразделяется на приемную и передающую части, которые могут быть выполнены в виде интегральной схемы на одной и той же полупроводниковой подложке (плате). Трансивер можно также подразделить на цифровую и аналоговую части. Передающая часть предлагаемого в изобретении трансивера содержит несколько передающих блоков. Альтернативно этому или в дополнение к этому приемная часть предлагаемого в изобретении трансивера содержит несколько приемных блоков.
Каждый передающий блок обеспечивает по меньшей мере один отдельный канал для передачи данных по сети передачи данных. Каждый приемный блок обеспечивает по меньшей мере один отдельный канал для приема данных, передаваемых по сети передачи данных. Через предлагаемый в изобретении трансивер компоненты автомобиля, подсоединенные к сети передачи данных, могут получать доступ к ней.
На фиг.1 показан обозначенный общей позицией 1 передающий блок передающей части предлагаемого в изобретении трансивера. Передающий блок 1 через вывод 2 соединен с компонентом автомобиля. Через этот вывод 2 в передающий блок 1 поступают данные, которые после их подготовки к передаче в передающем блоке 1 вводятся в сеть передачи данных. В цифровой части 3 подготавливаемые к передаче данные подвергаются дифференциальному кодированию. Затем в функциональном блоке 5 с использованием справочной таблицы 4, в которой в табличном виде содержатся значения синуса, сигнал подвергается цифровой модуляции. Содержащиеся в справочной таблице 4 табулированные значения синуса образуют несущий сигнал для модуляции. После этого модулированный цифровым кодом сигнал преобразуется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) 6 из цифровой области в аналоговую, в результате чего ступенчатый несущий сигнал сглаживается.
В последующем аналоговый сигнал подвергается в функциональном блоке 7 полосовой фильтрации (ПФ), а затем преобразуется в функциональном блоке 8 в сигнал с частотой, лежащей в используемом для передачи сигналов частотном диапазоне. Полосовая фильтрация, которой аналоговый сигнал подвергается в функциональном блоке 7, позволяет отфильтровать паразитные сигналы, частоты которых лежат вне используемого для передачи сигналов частотного диапазона. Для последующего преобразования частоты сигнала в частоту, лежащую в рабочем частотном диапазоне, используется генератор, управляемый напряжением (ГУН). При таком преобразовании частоты сигнала в частоту, лежащую в рабочем частотном диапазоне, частота сигнала смещается в функциональном блоке 8 в диапазон высоких частот (ВЧ-диапазон). После такого преобразования частоты сигнала с ее повышением сигнал подвергается в функциональном блоке 9 низкочастотной фильтрации (НЧФ). При такой низкочастотной фильтрации отфильтровываются те составляющие сигнала, частота которых в рассматриваемом примере превышает примерно 250 МГц. Затем сигнал вводится в функциональном блоке 10 в сеть передачи данных. В рассматриваемом примере вводимый в сеть передачи данных сигнал сначала усиливается усилителем 11 и затем за счет индуктивной связи, реализованной в функциональном блоке 12, вводится в сеть передачи данных.
В рассматриваемом примере сеть передачи данных выполнена в виде электрической бортовой сети автомобиля, которая исходно предназначена для подвода электроэнергии к подсоединенным к ней компонентам автомобиля. Предлагаемый в изобретении трансивер позволяет дополнительно использовать электрическую бортовую сеть автомобиля и для передачи информации между подсоединенными к ней компонентами. Передача информации по электрической бортовой сети автомобиля называется также технологией связи по электросети.
На фиг.2 показан обозначенный общей позицией 20 приемный блок приемной части предлагаемого в изобретении трансивера. Передаваемый по сети передачи данных сигнал принимается за счет индуктивной связи, реализованной в элементе 21 индуктивной связи. В рассматриваемом примере сеть передачи данных предпочтительно также выполнена в виде электрической бортовой сети автомобиля. После этого в усилителе 22 происходит согласование уровня принятого сигнала для его дальнейшей обработки. Затем в функциональном блоке 23 с использованием ГУН происходит преобразование частоты сигнала с ее понижением с величины, лежащей в используемом для передачи сигналов по сети передачи данных частотном диапазоне, до величины, лежащей в рабочем частотном диапазоне приемного блока 20.
Далее в функциональном блоке 24 принятый сигнал подвергается полосовой фильтрации, а затем подвергается в функциональном блоке 25 аналого-цифровому преобразованию (АЦП) для последующей его обработки в цифровой части. После этого цифровой сигнал демодулируется в демодуляторе 26. Затем следует выполняемый в функциональном блоке 27 процесс восстановления данных, извлекаемых из принятого сигнала с использованием коррелятора 28 и дифференциального декодирования. Поступившие по электрической бортовой сети и обработанные сигналы выдаются через вывод 29 приемного блока 20 на подсоединенный к нему компонент автомобиля.
При использовании в автомобильной сети передачи данных нескольких работающих параллельно шинных систем количество всех передающих блоков 1 и приемных блоков 20 в передающей и приемной частях трансивера соответственно увеличивается на величину, равную количеству таких шинных систем. При использовании в сети передачи данных несущих сигналов одной и той же частоты для разделения каналов необходимо использовать ортогональные коды. Другая возможность разделения каналов заключается в использовании для передачи данных несущих сигналов различных частот. Эти частоты во избежание возможного, приводящего к появлению помех в каналах, обусловленных влиянием отдельных каналов друг на друга, должны быть разнесены друг от друга в пределах рабочей полосы частот на соответственно большие интервалы. Используемые для передачи информации сигналы выбираются в пределах частотного диапазона ортогональной друг по отношению к другу формы, чтобы отдельные несущие частоты можно было расположить сравнительно близко друг к другу.
Для модуляции (функциональные блоки 4 и 5 на фиг.1) используется сравнительно простой метод, поскольку при передаче данных по электросети канал связи имеет достаточно широкую полосу пропускания и характеризуется практически полным отсутствием помех. Для модуляции используется, в частности, относительная двухпозиционная фазовая манипуляция (ОДФМн) из-за максимального эвклидова расстояния, равного 2, на диаграмме пространства сигналов и связанной с этим исключительно высокой нечувствительности к аддитивным помехам. Однако для модуляции вполне допустимо использовать также относительную квадратурную фазовую манипуляцию (ОКФМн). Преимущество метода дифференциальной (относительной) модуляции заключается в том, что решающее значение для извлечения из сигнала полезной информации имеет исключительно разность фаз между двумя следующими друг за другом битами, т.е. для этого не требуется никакая опорная несущая. В соответствии с этим нет необходимости и передавать опорную несущую.
На фиг.3 приведена сравнительная диаграмма вероятности Рb появления ошибок в двоичных разрядах (битах) при использовании различных методов модуляции. На фиг.3 в графическом виде приведены данные о вероятности появления ошибок в двоичных разрядах при использовании для модуляции метода униполярной и биполярной амплитудной манипуляции (АМн), метода частотной манипуляции (ЧМн), метода фазовой манипуляции (ФМн) и метода относительной фазовой манипуляции (ОФМн). Все эти методы модуляции являются двухстадийными. На приведенной на чертеже диаграмме показана зависимость вероятности Рb появления ошибок в двоичных разрядах в функции отношения интенсивности Еb несущего биты информации сигнала к плотности N0 мощности шумов. Отношение Еb/N0 называется также отношением сигнал-шум и выражается в дБ.
В принципе для модуляции можно использовать и многостадийные методы, однако применение таких методов представляется нецелесообразным и ненужным с учетом имеющейся в электрической бортовой сети автомобиля для передачи данных ширины полосы пропускания. Отказ от применения многостадийных методов модуляции позволяет избежать дополнительных затрат на разработку реализующей подобные методы системы. Помимо этого двухстадийные методы модуляции гораздо надежнее осуществляемых в большее число стадий методов модуляции, поскольку с увеличением количества стадий возрастает чувствительность метода модуляции к помехам.
В справочной таблице 4 содержатся дискретные значения отсчетов синусоидального сигнала, которые в смесителе 5 перемножаются с данными, уже подвергнутыми дифференциальному кодированию в функциональном блоке 3. Собственно модуляция реализуется в цифровом виде с использованием справочной таблицы 4. Тем самым обеспечивается "идеальная" модуляция без фазового сдвига между несущим сигналом и битами передаваемых данных.
Коррелятор 28 позволяет выделять полезные сигналы из наложенного на них шума. Для корреляции могут использоваться помимо прочего специальные последовательности, называемые кодовыми последовательностями Баркера (см. R.H. Barker. Group Synchronization of Binary Digital Systems, Communication Theory, W. Jackson, Butterworth, 1953). Такие последовательности характеризуются отношением главного максимума к боковому (ОГБ), которое соответствует числу L бит в последовательности. В соответствии с этим справедливо следующее выражение:
.
Последовательности Баркера имеют длину L, равную 2, 3, 4, 5, 7, 11 или 13. В статье R.Turyn и J.Storer, озаглавленной "On Binary Sequences" и опубликованной в Proceedings of American Mathematical Society, №12, 1961, утверждается, что никаких иных последовательностей Баркера с нечетной длиной не существует. У L.D. Baumert. Cyclic Difference Set, изд-во Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 1971, приведено доказательство того, что не существует последовательностей Баркера с четной длиной сверх 4. Такие последовательности из-за их достаточно большого ОГБ помимо прочего могут использоваться и для решения самых разнообразных задач по синхронизации.
Присущая синхронизации на основе метки проблема заключается в том, что вероятность ошибочной синхронизации даже при отсутствии шумов в канале связи всегда остается больше 0 до тех пор, пока сохраняется возможность скомпоновать метку из элементов используемого для представления следующих за ней данных символического алфавита. Избежать подобной опасности ошибочной синхронизации можно лишь, использовав для передачи данных алфавит, из элементов которого воссоздать метку невозможно. Сказанное относится прежде всего и к случаю взаимного наложения двух кодовых слов. Если алфавит содержит, например, оба слова а=a1…an и b=b1…bn, то не допускается возможность воссоздания метки даже созданием комбинации вида aj…anb1...bj-1, где 1<j≤n. При применении последовательностей Баркера для кадровой синхронизации обеспечить соблюдение этого условия можно, использовав для представления данных, в частности, манчестерский код. Для манчестерского кода характерно то, что в зависимости от конкретно применяемого его типа определенное состояние сохраняется максимум на протяжении двух интервалов передачи двоичных разрядов. По истечении этого S промежутка времени происходит принудительное изменение состояния. Последовательности же Баркера, длина L которых превышает 4, обычно содержат последовательность из по меньшей мере трех одинаковых состояний. В общем случае вероятность ошибочной синхронизации можно рассчитать в соответствии со следующим уравнением:
В приведенном выше уравнении М обозначает количество символов в используемом методе модуляции. Следовательно, в случае ОДФМн М=2. L в общем случае соответствует длине синхронизирующего слова, а в данном конкретном случае - длине последовательности Баркера. N обозначает общую длину передаваемого кадра данных, складывающуюся из величины L и длины D блока данных (т.е. N=L+D).
На фиг.4 показано различие между используемым для представления слова данных символическим алфавитом, который может содержать синхронизирующее слово, и алфавитом, в котором подобная возможность исключена благодаря кодированию в манчестерском коде. Следует, однако, отметить, что при кодировании в манчестерском коде снижение вероятности ошибочной синхронизации достигается за счет уменьшения вполовину возможной скорости передачи данных. Вместе с тем этот фактор, как следует из приведенных на фиг.4 графиков, при высокой зашумленности канала связи утрачивает свое значение, поскольку вероятность искажения передаваемого слова данных накладывающимся на него шумом значительно превышает вероятность обусловленной им же ошибочной синхронизации. Однако при низком уровне шумов в канале связи подобный эффект становится гораздо более заметным. Для построения показанных на чертеже графиков для каждого целочисленного значения соотношения сигнал-шум (ОСШ) в интервале от -6 до +6 дБ проводили по 1000 циклов моделирования. В ходе такого моделирования случайным образом формировали последовательность из 130 бит. В эту последовательность бит случайным образом "внедряли" синхронизирующее слово длиной 14 бит. После этого выполняли ФМн-модуляцию, добавляли шум с соответствующим ОСШ и выполняли демодуляцию. Затем осуществляли синхронизацию. Начиная с величины ОСШ, равной примерно 4 дБ, ошибки в синхронизации слова данных, дополнительно кодированного в манчестерском коде, полностью исчезали. В логарифмическом представлении это соответствует частоте появления ошибок синхронизации (ЧОС), равной -∞. По этой причине на фиг.4 не указаны точки для значений ОСШ 4, 5 и 6 дБ.
Для определения разряда, с которого начинается синхронизирующее слово, может использоваться и корреляционный метод, и правило максимального правдоподобия (сокращенно называемое МП-правилом) согласно методу Массея (Massey). Согласно публикации J.L.Massey. Optimum Frame Synchronization, IEEE Transactions on Communications, т. СОМ-20, №2, при этом справедливо следующее уравнение:
При величине ОСШ 
указанное выше уравнение можно записать в следующем приближенном виде:
В этом уравнении переменные Si представляют собой элементы синхронизирующего слова, а переменные yi представляют собой элементы принятого слова данных. Вторая часть уравнения учитывает при этом возникающую при корреляции синхронизирующего слова и слова данных составляющую величины корреляции. На эту величину необходимо соответственно скорректировать выходное значение коррелятора 28.
Правило корреляции можно вывести из уравнения (4), отбросив его содержащий поправку член:
Применительно непосредственно к относительной двухпозиционной фазовой манипуляции (ОДФМн) уравнение для вычисления правила максимального правдоподобия принимает следующий вид:
Последовательности Баркера могут использоваться прежде всего для кадровой синхронизации и синхронизации циклов передачи данных. Основная идея при этом заключается в применении одной и той же последовательности Баркера и для кадровой синхронизации, и для синхронизации циклов передачи данных. С этой целью для кадровой синхронизации используется, например, последовательность Баркера длиной L, равной 7. Для синхронизации с началом цикла передачи данных на основе той же самой последовательности Баркера создают несколько видоизмененную последовательность и обе практически одинаковые последовательности располагают непосредственно одна за другой. Однако вторую из этих последовательностей инвертируют, изменяя значения составляющих ее двоичных разрядов на обратные по отношению к значениям двоичных разрядов, составляющих первую последовательность. Сказанное проиллюстрировано на фиг.5.
На фиг.5а показана используемая для кадровой синхронизации последовательность Баркера длиной L, равной 7. На фиг.5б показана используемая для синхронизации циклов передачи данных последовательность Баркера, в которой первые семь бит последовательности Баркера соответствуют битам показанной на фиг.5а последовательности Баркера. Следующие семь бит показанной на фиг.56 последовательности Баркера представляют собой инверсию первых семи бит последовательности. Связанное с подобным подходом преимущество состоит в необходимости сохранять в памяти приемного блока только последовательность Баркера длиной L, равной 7. При этом корреляция осуществляется в корреляторе 28 только на основе последовательности Баркера, показанной на фиг.5а. Выполнением в приемном блоке логической операции с показанной на фиг.5а последовательностью Баркера из нее можно получить показанную на фиг.5б последовательность Баркера, используемую для синхронизации циклов передачи данных.
Для формирования исходной функции, используемой коррелятором, при синхронизации с началом цикла передачи данных выполняется дополнительная операция сложения. На первой стадии выполняется корреляция с последовательностью Баркера. В результате этой операции получают функцию х(k). Затем в соответствии со следующим правилом вычисляется модифицированная исходная функция xmod(k):
.
При корреляции последовательности Баркера с инвертированной составляющей в модифицированной последовательности Баркера получают ту же исходную функцию, что и при взаимной корреляции немодифицированной последовательности Баркера, но зеркально отображенную в область отрицательных чисел. Таким образом, согласно правилу вычислений, описываемому уравнением (7), при наличии модифицированной последовательности Баркера получают функцию того же вида, что и в случае взаимной корреляции немодифицированной последовательности Баркера, но с удвоенными значениями амплитуды. В соответствии с этим метки для кадровой синхронизации и для синхронизации циклов передачи данных можно отличить друг от друга с помощью простого устройства, определяющего пороговое значение.
На фиг.6 приведена сравнительная диаграмма, на которой между собой сопоставляются синхронизация, при которой используется первоначальная последовательность Баркера, и синхронизация, при которой используется модифицированная в соответствии с описанным выше подходом последовательность Баркера практически той же длины (полного равенства длин обеих последовательностей достичь невозможно, поскольку, как указано выше, последовательности Баркера с длиной более 4 могут иметь только нечетную длину). Из приведенных на фиг.6 графиков следует, что использование для синхронизации первоначальной последовательности Баркера и модифицированной последовательности Баркера аналогичной длины приводит к получению примерно одинаковых результатов. На фиг.6 показаны графики, полученные при синхронизации с использованием обычного правила корреляции (правило гибкой корреляции), правила максимального правдоподобия (МП-правило) и модифицированного правила максимального правдоподобия (модифицированное МП-правило).
На фиг.7 в графическом виде представлены результаты, полученные при кадровой синхронизации и при синхронизации циклов передачи данных с использованием последовательности Баркера длиной L, равной 7, и сформированной на ее основе модифицированной последовательности Баркера длиной L, равной 14. Из приведенных на этом чертеже графиков следует, что при ОСШ более 6 дБ даже кадровая синхронизация всегда происходит успешно. Для синхронизации могут использоваться также так называемые последовательности Линднера (см. H.D.Luke. Korrelationssignale, изд-во Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg, 1992). Для возможности безошибочной синхронизации дополнительно использовали кодирование в манчестерском коде.
В предлагаемом в изобретении трансивере один или несколько каналов могут использоваться в качестве специальных каналов, выделенных для передачи чрезвычайно важных с точки зрения обеспечения безопасности сообщений или же для диагностики сети передачи данных, соответственно для диагностики процесса передачи данных по сети. Для создания таких специальных каналов во избежание их влияния друг на друга могут использоваться различные подходы. Один из таких подходов состоит в использовании ортогональных кодов в одной и той же области частот. Однако такой подход может оказаться проблематичным из-за требуемой большой длины кодовых слов, осложняющей высокоскоростную передачу данных. Другой возможный подход заключается в использовании сигналов ортогональной в частотном спектре формы.
Прием подобного рода специальных сообщений можно реализовать с использованием так называемых согласованных фильтров. Такие фильтры могут быть либо цифровыми, либо могут быть реализованы с помощью так называемых фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтров). Преимущество таких фильтров состоит в возможности оптимального согласования их характеристик. Еще одно преимущество, связанное с применением ПАВ-фильтров, заключается в том, что они представляют собой пассивные элементы. В соответствии с этим они не потребляют ток при отсутствии сигнала. Для надежного детектирования сигналов для таких сообщений также могут использоваться последовательности Баркера. Однако в целом необходимо исключить возможность ложного срабатывания. Этот фактор предъявляет высокие требования ко всей системе в целом. В этом случае для передачи сигналов в принципе могут использоваться последовательности Баркера большой длины, поскольку они, как указано выше, имеют максимальную величину ОГБ. При этом для минимизации влияния источников кратковременных помех следует учитывать необходимость передачи отдельных используемых бит в течение достаточно длительного интервала. Дополнительно к этому в различных специальных каналах можно также передавать ортогональные сигналы или же сигналы, кодированные инвертированными последовательностями Баркера.
Рассмотренные выше возможности в упрощенном виде схематично проиллюстрированы на фиг.8. На этом чертеже показан предлагаемый в изобретении трансивер 30 с n частотно-разделенными каналами f1, …, fn и одним каналом коллективного пользования fn+1. Для каждого специального канала в циклическом режиме дополнительно должен выполняться опрос состояния, поскольку в любой момент времени необходимо знать состояние компонентов, получающих доступ к сети передачи данных через трансивер, и тем самым иметь возможность своевременно реагировать на возможное возникновение неисправности. Такой опрос может осуществляться, например, и по каналу коллективного пользования fn+1.
В соответствии с настоящим изобретением трансивер предлагается использовать для передачи данных по электросети, служащей физической средой передачи данных. Особое значение при этом имеет выделение специальных каналов для передачи важных с точки зрения обеспечения безопасности сообщений, которые должны передаваться без какой-либо временной задержки, обусловленной протоколом передачи данных в режиме коллективного пользования. Для передачи сигналов по этим каналам предлагается использовать помимо прочего последовательности Баркера. Эти же последовательности предлагается использовать и для выполнения задач по синхронизации при передаче данных по каналу коллективного пользования. Для разделения специальных каналов и канала коллективного пользования могут применяться и ортогональные коды, и частоты с ортогональным положением.
На фиг.9 показана схема предлагаемой в изобретении системы передачи данных, используемой в автомобиле. Эта система образована электрической бортовой сетью 34 автомобиля и несколькими подсоединенными к ней компонентами 31 автомобиля. Электрическая бортовая сеть 34 служит для подвода электроэнергии к компонентам 31 автомобиля. Одновременно с этим электрическая бортовая сеть 34 используется для передачи информации между компонентами 31 автомобиля. Для этой цели каждый из компонентов 31 автомобиля оснащен приемопередающим устройством (трансивером) 30, через который он получает доступ к электрической бортовой сети автомобиля. Подобная технология передачи данных называется также технологией передачи данных по электросети.
На фиг.10 показана схема предлагаемого в изобретении трансивера 30. Трансивер 30 имеет передающую часть 32 и приемную часть 33. Через вывод 2 в передающую часть 32 от подсоединенного к трансиверу 30 компонента 31 поступают предназначенные для передачи по электрической бортовой сети 34 автомобиля данные. Через вывод 29 полученные по электрической бортовой сети и обработанные данные передаются приемной частью 33 трансивера 30 в подсоединенный к нему компонент 31.
Передающая часть 32 предлагаемого в изобретении трансивера 30 содержит несколько передающих блоков 1a, 1b, …, 1m. Приемная часть 33 трансивера 30 соответственно содержит несколько приемных блоков 20а, 20b, …, 20n. Каждый из передающих блоков 1 и приемных блоков 20 взаимодействует с электрической бортовой сетью 34 автомобиля через соответствующий элемент 12, 21 емкостной связи (см. фиг.1), работающий на низких частотах.
1. Приемопередающее устройство (30) для подсоединенного к сети (34) передачи данных компонента (31) автомобиля, содержащее по меньшей мере один передающий блок (1), предназначенный для передачи данных по сети (34) передачи данных, и по меньшей мере один приемный блок (20), предназначенный для приема данных, передаваемых по сети (34) передачи данных, которая при этом служит для передачи данных между указанным компонентом (31) и другими подсоединенными к ней компонентами (31), причем приемопередающее устройство (30) содержит несколько передающих блоков (1a, 1b, …, 1m), каждый из которых обеспечивает по меньшей мере один отдельный канал для передачи данных по сети (34) передачи данных, и/или несколько приемных блоков (20а, 20b, …, 20n), каждый из которых обеспечивает по меньшей мере один отдельный канал для приема данных, передаваемых по сети (34) передачи данных, отличающееся тем, что с помощью нескольких передающих блоков (1a, 1b, …, 1m) и/или с помощью нескольких приемных блоков (20а, 20b, …, 20n) в одной и той же сети (34) передачи данных реализовано несколько шинных систем с возможностью одновременной передачи данных по ним, причем по меньшей мере некоторые из каналов передачи данных выделены для передачи относящихся к обеспечению безопасности сообщений.
2. Приемопередающее устройство (30) по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере один из каналов предусмотрен для передачи данных по электрической бортовой сети (34) автомобиля и/или приема данных, передаваемых по электрической бортовой сети (34) автомобиля, которая при этом служит для подвода электроэнергии к соответствующему компоненту и одновременно для передачи данных между этим компонентом (31) и другими подсоединенными к ней компонентами (31).
3. Приемопередающее устройство (30) по п.2, отличающееся тем, что процесс передачи данных по электрической бортовой сети (34) автомобиля и/или приема данных, передаваемых по электрической бортовой сети (34) автомобиля, организован в качестве резервного или дублирующего уровня для возможности поддержания процесса передачи данных при выходе из строя по меньшей мере одного из каналов, предусмотренных для передачи данных по другой, отличной от электрической бортовой сети (34) автомобиля сети передачи данных и/или для приема данных, передаваемых по другой, отличной от электрической бортовой сети (34) автомобиля сети передачи данных.
4. Приемопередающее устройство (30) по п.2, отличающееся тем, что электрическая бортовая сеть (34) автомобиля служит для передачи относящихся к обеспечению безопасности сообщений.
5. Приемопередающее устройство (30) по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что для разделения каналов используется кодирование передаваемых данных в ортогональных кодах.
6. Приемопередающее устройство (30) по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что для разделения каналов используется модуляция передаваемыми данными несущих различных частот.
7. Приемопередающее устройство (30) по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что для модуляции несущей передаваемыми данными используется относительная двухпозиционная фазовая манипуляция.
8. Приемопередающее устройство (30) по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что для модуляции несущей передаваемыми данными используется относительная квадратурная фазовая манипуляция.
9. Расположенная в автомобиле система передачи данных, состоящая из сети (34) передачи данных и нескольких подсоединенных к ней компонентов (31) автомобиля, каждый из которых оснащен приемопередающим устройством (30), содержащим по меньшей мере один передающий блок (1), предназначенный для передачи данных по сети (34) передачи данных, и по меньшей мере один приемный блок (20), предназначенный для приема данных, передаваемых по сети (34) передачи данных, которая при этом служит для передачи данных между компонентами (31), причем каждое приемопередающее устройство (30) содержит несколько передающих блоков (1a, 1b, …, 1m), каждый из которых обеспечивает по меньшей мере один отдельный канал для передачи данных по сети (34) передачи данных, и/или несколько приемных блоков (20а, 20b, …, 20n), каждый из которых обеспечивает по меньшей мере один отдельный канал для приема данных, передаваемых по сети (34) передачи данных, отличающаяся тем, что с помощью нескольких передающих блоков (1a, 1b, …, 1m) и/или с помощью нескольких приемных блоков (20а, 20b, …, 20n) в одной и той же сети (34) передачи данных реализовано несколько шинных систем с возможностью одновременной передачи данных по ним, причем по меньшей мере некоторые из каналов передачи данных выделены для передачи относящихся к обеспечению безопасности сообщений.
10. Система по п.9, отличающаяся тем, что сеть (34) передачи данных представляет собой электрическую бортовую сеть автомобиля, которая служит для подвода электроэнергии к компонентам (31) автомобиля и одновременно для передачи данных между ними.
