专利名称：红外线信号数据接收电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种红外线信号数据接收电路，它具有多个红外线检测器，为了提高有效功率，在抑制干扰信号的同时这些检测器的信号被送到一个相加电路中。
红外线信号数据发送和数据接收电路例如在电视机中用于节目选择和音量调节等。在道路付费系统中也已准备用半导体-光发射器件，如发光二极管或激光二极管，来替代分米波或厘米波范围内的高频发射机。这种红外线数据传输系统可以下列调制方式运行AM振幅调制FM频率调制PSK(Phase Shift Keying)相移键控ASK(Amplitude Shift Keying)振幅键控ASK-OOSK(ASK-On Off Shift Keying)ASK-通/断键控PDM(Pulse Duration Modulation)脉宽调制PPM(Pulse Phase Modulation)脉冲相位调制在数据接收电路中锗或硅光电二极管被用作红外线检测器，并且产生的“光电电流”被放大和被分析。如果这种数据接收电路处于弱的背景光环境中，例如在建筑物内，在遮光处或者仅在夜里被应用，简单的放大器和补偿电路足以抑制背景光电流。在强的背景光下，尤其是接收机直接工作于太阳光下时，这种陈旧的电路技术是有问题的，并且最终变成无用的，因为高背景光附带产生强的电流噪声，有用信号电流通常为nA(纳安)级，埋没在它之中。
AT 376 083B公开了在红外线接收装置中抑制电磁干扰的电路。其中有两组并联的光电二极管，其中一个二极管通过一个串接电阻R1与一个正电源电压连接，且另一个二极管通过一个串接电阻接地。从一组光电二极管来的负极性有效信号通过一个电容器送到差分放大器的一个输入端，而正极性有效信号通过一个电容器送到差分放大器的另一个输入端。这样，有效信号在差分放大器的输出端相加，而例如由广播发射机来的干扰辐射被抑制。在一个变形中在电容器和差分放大器DV之间附加一个运算放大器，这个运算放大器作为所谓的互阻抗放大器使得更快的信号处理成为可能。
US 5355242A提出的接收红外线信号的电路有两组并联的光电二极管，见
图1，其有效信号通过变压器和电容器送到互阻抗放大器；变压器的一个次级绕组是反方向绕制的，以得到正极性和负极性的有效信号，类似AT 376083B那样，在通过一个带通滤波器后它们通过互阻抗放大器被送出。差分放大器的输出经过低通滤波器连接到另一个差分放大器的输入端，在其输出端连接一个起噪声隔离作用的门电路。在此电路中并联光电二极管与各自变压器的初级绕组的连接点上有效信号进行相加。
现有电路的缺点在于，如果多个红外线检测器(光电二极管)相互并联连接，为了提高有效功率，二极管的并联容量也增加，这样就增加了开关上升时间和下降时间。
本发明的目的在于给出一种本说明书开始处所说明的数据接收电路，它一方面有短的开关上升时间和下降时间，另一方面即使由于强背景光引起强的电流噪声，仍有大的数据信噪比。
在本发明的数据接收电路中上述任务是如此完成的存在多个输入电路，每一个具有一个红外线检测器和一个相应的独立的放大器，并且这些输入电路并联连接到相加电路上。这样，放大器对信号而言同步地工作，但具有随机的噪声相位，它们在相加电路中按照概率原理部分相加和部分抵消。有效信号以相同相位在相加电路中线性相加。这样信噪比随所用放大器数量而稳定地增长。
按照本发明颇具优点的设计，相加电路的输出与一个比较器的输入端相连接，其另一个输入端连接于一个门限值发生器的输出端，发生器的输入端连接到相加电路的输出端。用这种方法模拟一个AGC(自动增益控制)放大器电路的功能，这样弱功率有效信号被抑制掉，如果像道路付费系统中付费站那样存在多个发射机，则仅接收强功率发射机的信号；这在具有多个车道和相应发射机的道路付费系统中对于“车道选择性”有特殊的意义。
与此相关，如果在相加电路的输出端与比较器的一个输入端及门限值发生器的输入端之间有一个主放大器也是有效的。通过这个措施提高了进一步处理有效信号时的动态范围。
对于自动门限值调整更具优点的是，门限值发生器通过检波和平滑相加电路或必要时主放大器的输出信号由此信号的峰值和平均值按一定的比例，例如1∶2，构成一个和值，此和值作为门限值信号在门限值发生器输出端给出。
如果输入电路的放大器是晶体管放大器，这对于实现特别有好处的，简单并快速反应的放大器是有效的。其中晶体管可以是简单的双极型晶体管。
为了使相加电路尽可能简单和廉价，这是有优点的相加电路用电容器构成，它们的一端连接到相应放大器输出端，另一端连接到一个公共的连接点。
如果红外线检测器是光电二极管，它们与晶体管的发射极电阻并联连接，这对于结构上简单地实现输入电路是特别好的；相加电路的电容器连接到晶体管的集电极电阻上是有好处的。
对于门限值构成，下述方法对于短的反应时间和简单实现来说是有效的门限值发生器的输入端通过一个二极管和一个与其串接的电阻连接到地，二极管和电阻的连接点连接到一个晶体管的基极，存贮相加电路或者必要时主放大器给出的输出信号的峰值的电容器连接到晶体管上，并且用以获取相应门限值的另一个电容器通过一个分压器连接到二极管及上述电容器。
下面借助于附图所示优选的实施例进一步说明本发明。然而本发明不局限于此实施例。
附图中图1是传统的数据接收电路的电路图；图2是图1所示电路中有效信号/噪声的关系示意图；图3是本发明数据接收电路的方框图4说明图3所示数据接收电路的局部的功能；图5是本发明数据接收电路的一个至少在目前是特别优良的实施形式的电路图。
图1所示传统的红外线信号数据接收电路由一个红外线检测器构成，例如其形式为一个或多个并联的红外线光电二极管1，它们连接到一个通过电阻2反馈的运算放大器3的两个输入端上。图2示出运算放大器3的输出端4上出现的放大后的信号电压US与时间t的关系。由图可见，光电二极管1接收的有效信号UN几乎不能从噪声电压UR中区分出来，如说明书一开始所述，噪声电压主要是由背景光电流产生的。图1所示附加光电二极管1的并联电路不能改善信噪比，相反却由于电容量的增大而导致开关时间的延长。
在本发明中有多个输入电路和多个红外线光电二极管5a，5b至5n以一定方式配置，即其每一个与一个独立的放大器6a，6b至6n连接，放大器6a，6b至6n的输出送到一个相加电路7，如图3方框图所示。相加电路7的输出端上的和信号被送到一个主放大器9，在其输出端10上连接门限值发生器12的输入端11和比较器14的输入端13；比较器14的另一个输入端15与门限值发生器12的输出端16相连接。
图4示出主放大器9给出的信号US与时间t的关系。噪声电压UR叠加在例如一个强的数据信号US1和一个弱的数据信号US2上。强的数据信号US1来自例如一个直接指向光电二极管5a，5b至5n的第一个红外线发射机，相反，弱的数据信号US2来源于例如另一个位于第一个红外线发射机旁边的第二个红外线发射机，因此它有较小的振幅。门限值发生器12按照(最强的)数据信号US1的峰值USP和总的信号US的平均值UMW求得门限值电压USCh，它在比较器14中与有效信号US比较，使得在信号US超过或低于门限值电压USCh的时刻在比较器14的输出端17上仅出现对应于US1的再生脉冲UK，它被送到后接的数据处理单元(图中未示出)进行进一步处理。
这样实现了有选择性的信号分析，在存在数据信号时信噪比提高，并且其它发射机的弱数据信号被抑制。尤其是，门限值电压USCh由峰值USP和平均值UMW以约为1∶2的比例求得。门限值发生器的工作方式在功能上类似于一个AGC(自动增益控制)放大器。
最后借助于图5说明上述数据接收电路的一个实际的实施形式(无比较器14)。
如图5所示，红外线光电二极管5a，5b至5n分别与NPN晶体管19a，19b至19n的发射极电阻18a，18b至18n并联，这些晶体管构成上面在图3说明中提到的放大器6a，6b至6n。一个对于所有晶体管18a，18b至18n公共的基极分压器由电阻20，21构成，电阻20连接于一个正电源电压UV，且电阻21连接到地；两个电阻20，21的连接点与晶体管19a，19b至19n的基极相连接。一个缓冲电容器22连接在电源电压UV和地之间。一个滤波电容器23与电阻21并联。
晶体管19a，19b至19n的集电极分别通过集电极电阻24a，24b至24n连接到电源电压UV。从晶体管19a，19b至19n的每一个集电极分别引出耦合电容25a，25b至25n到一个公共连接点26，这样构成上面借助图3所提到的相加电路7，它相加由光电二极管5a，5b至5n提供的并经晶体管19a，19b至19n放大的信号，它们的噪声部分在连接点26上统计叠加，即部分相加和部分抵消，而有效信号线性且以相同相位相加，这样信噪比随光电二极管5的数量n而提高。
主放大器9例如由两个前后相连接的运算放大器27，28构成，其中一个放大器27的反相输入端(-)与耦合电容器25a，25b至25n的连接点26相连接。该放大器27的输出通过耦合电容器29连接到另一放大器28的反相输出端(-)，放大器28的输出端形成主放大器9的输出端10。放大器27，28通过电阻30，31反馈，其中在放大器27的电阻30上并联一个电容器32。两个放大器27，28的同相输入端(+)连接于晶体管19a的基极。通过相应设计电阻30，31和电容器29，32的大小，主放大器的下界频可选择到适配于有效信号UN的频率f0。
在图5中构成主放大器9或门限值发生器12的电子元件组分别用点划线框了起来。
从门限值发生器12的输入端11引出一个二极管35与电阻36的串联电路到地。二极管35的阴极和电阻36的连接点37连接于PNP晶体管38的基极，其发射极电阻39连接到正电源电压UV，并且其集电极电阻40连接到地。在门限值发生器12的输入端11和PNP晶体管38的集电极之间有一个分压器，它由两上电阻44和45组成，其中从两个电阻44，45的连接点46连接一个电容器47到地。另一个电容器48从晶体管38的集电极连接到地。电阻44，45的连接点46构成门限值发生器的输出端16，它送出相应于点10或11上(最强的)有效信号US的强度产生的可变门限值USCh。
在前面提到的调制方式中优先使用ASK-OOSK调制，即从一个红外线发射机(图中未示出)以传统的方式发射出红外线脉冲包序列，它们由光电二极管5a，5b至5n转换为电脉冲并作为信号US出现在输出端10(11)上。
在静态下，即没有脉冲出现时，晶体管38流过一个小的集电极静态电流，它使电容器47充电到约为电源电压UV的一半电压值。晶体管38的工作点如此调整，使得电容器48也被充电到约电源电压UV的一半电压值。
在脉冲出现时晶体管38在每个脉冲持续期内完全截止，即在此时间间隔内电容器47和48被放电并且在脉冲间歇中又充电。通过选择电阻36，44和45及电容器47，48的值可以根据脉冲持续期和间歇期确定电容器47，48的充电和放电时间常数或电压，它们对应于数据信号US的峰值USP和及平均值UMW，从而如上面所述那样按希望的比例求出门限值电压USCh。
在多个脉冲，例如3个脉冲，之后二极管35上出现的电压正比于数据信号US的直流值或平均值UMW，而电容器48上出现的电压正比于数据信号US的峰值USP。两个电压值分别通过电阻44和45合成到它们公共的电容器47上，并且按照电阻44和45的阻值关系来合成。为了得到所希望的峰值USP与平均值UMW之间例如1∶2的比例，电阻44的阻值选择为电阻45的阻值的两倍。当然，通过相应设计电阻44和45的阻值大小也可获得其它的比例，而且也可以用一个电位器来代替两个电阻44，45，以按照峰值USP来选择性地连续调整门限值电压USCh。
权利要求
1.红外线信号数据接收电路，它有多个红外线检测器(5a，5b至5n)，为了提高有效功率并抑制干扰信号，它们的信号被送到一个相加电路(7)，其特征在于，存在多个输入电路，其每一个具有一个红外线检测器(5a，5b至5n)和一个相应的独立的放大器(6a，6b至6n)，并且这些输入电路并行地连接到相加电路(7)。
2.如权利要求1所述的数据接收电路，其特征在于，相加电路(7)的输出(8)与比较器(14)的一个输入端(13)相连接，比较器的另一个输入端(15)连接到门限值发生器(12)的输出端(16)，门限值发生器的输入端(11)连接到相加电路(7)的输出端(8)。
3.如权利要求2所述的数据接收电路，其特征在于，在相加电路(7)的输出端(8)与比较器(14)的输入端(13)及门限值发生器(12)的输入端(11)之间有一个主放大器(9)。
4.如权利要求2或3所述的数据接收电路，其特征在于，门限值发生器(12)通过检波和平滑相加电路(7)或必要时主放大器(9)的输出信号(US)按照预先规定的比例由此信号(US)的峰值(USP)和平均值(UMW)构成一个和值，此和值作为门限值信号(USCh)在门限值发生器(12)的输出端(16)上给出。
5.如权利要求1至4中任一项所述的数据接收电路，其特征在于，输入电路的放大器(6a，6b至6n)是晶体管放大器(19a，19b至19n)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的数据接收电路，其特征在于，相加电路(7)由电容器(25a，25b至25n)构成，它们的一端连接于相应的放大器输出端，而另一端连接于一个公共的连接点(26)。
7.如权利要求1至6中任一项所述的数据接收电路，其特征在于，红外线检测器是光电二极管(5a，5b至5n)，它们并联在晶体管(19a，19b至19n)的发射极电阻(18a，18b至18n)上。
8.如权利要求6或7所述的数据接收电路，其特征在于，相加电路(7)的电容器(25a，25b至25n)连接到晶体管(19a，19b至19n)的集电极电阻(24a，24b至24n)。
9.如权利要求4至8中任一项所述的数据接收电路，其特征在于，门限值发生器(12)的输入端(11)通过一个二极管(35)和一个与它串联的电阻(36)连接到地，二极管(35)和电阻(36)间的连接点(37)连接到晶体管(38)的基极，一个存贮送来的相加电路(7)或必要时主放大器(9)的输出信号的峰值(USP)的电容器(48)连接到该晶体管上，并且另一个用来获取相应门限值(USCh)的电容器(47)通过一个分压器(44，45)连接到二极管(35)及电容器(48)。
全文摘要
用红外线信号的数据接收电路,尤其适用于道路付费系统,它有多个红外线检测器(5),为了提高有效功率并抑制干扰信号,它们的信号被送到一个相加电路。为了提高信噪比,存在多个输入电路,其每一个具有一个红外线检测器(5a,5b至5n)和一个相应的独立的放大器(6a,6b至6n),并且这些输入电路并行地连接到相加电路(7)。
文档编号H04B10/69GK1262827SQ98807048
公开日2000年8月9日 申请日期1998年7月9日 优先权日1997年7月10日
发明者拉蒙德·帕莫尔, 赫尔穆特·里耶德尔 申请人:Efkon－专用机器开发研究制造有限公司