Powerline Communication

Hardware

Examensarbete Institutionen foumlr data- och informationsteknik

Martin Jakobsson

Andreas Arrefelt Augustsson

Powerline Communication

Hardware

Martin Jakobsson Andreas Arrefelt Augustsson

copy Martin Jakobsson Andreas Arrefelt Augustsson 2014

Institutionen foumlr data- och informationsteknik

Chalmers tekniska houmlgskola

412 96 Goumlteborg

Tel 031-772 1000

Fax 031-772 3663

[Graf oumlver fasfoumlrskjutningen i LTspice]

Institutionen foumlr data- och informationsteknik

Goumlteborg 2014

I

Foumlrord Rapporten aumlr ett examensarbete som har gjorts paring Chalmers tekniska houmlgskola campus Lindholmen

under en period paring 10 veckor

Vi vill ge ett stort tack till varingr handledare Sakib paring Chalmers som har varit ett stort stoumld foumlr oss genom

projektet

Vi vill tacka Alixander och Andreas som aumlr varingra handledare fraringn Sigma

VI villpassa paring att tacka Goumlran Hult foumlr assistans med simuleringsprogram och Arto Heikkilauml foumlr tips

om litteratur

Aumlven ett stort tack till Johan och Mohammed som har gjort ett liknande projekt som vi har kunnat

bolla ideacuter med Aumlven kaumlnda som mjukvaru-gruppen

Tack till Fabian och Joakim som vi har delat grupprum med

II

Sammanfattning

Inom fordonsindustrin oumlkar behovet av elektronikenheter som kommunicerar mellan

varandra Det oumlkande behovet av elektronikenheterna aumlr paring grund av att det tillkommer allt

fler styr- och reglersystem Det leder till att maumlngden information blir stoumlrre och maringste

skickas snabbare vilket medfoumlr att antalet kommunikationskablar maringste oumlka Detta aumlr ej

oumlnskvaumlrt

Foumlr att loumlsa det haumlr problemet har vi foumlr avsikt att konstruera ett kommunikationssystem som

skickar information oumlver det befintliga dc-matade elnaumltet i fordonet Paring saring saumltt minskar antalet

kommunikationskablar

Systemet kommer att bygga paring BPSKQPSK och kommer att vara saring haringrdvarubaserat som

moumljligt daring vi ej behandlar naringgon mjukvara

III

Summary

In todayrsquos vehicle industry the demand of electronics devices that can communicate with

each other is increasing The increasing demand of electronics is due to more and more

automatic control systems This leads to an increase in the amount of information needed to

be sent and the speed of the information needs to increase which in turn leads to that the

amount of cables must also increase An increase of cables is undesirable

To show this problem we intend to construct a communications system that sends all it is

information on the existing dc-powered distribution grid With this solution the amount of

cables needed will reduce

Our system will be based on BPSKQPSK technology and our focus will be on doing as much

as possible with only hardware as we will not discuss any software in this project

IV

Inneharingllsfoumlrteckning 1 Inledning 1

11 Bakgrund 1

12 Syfte 1

13 Maringl 1

14 Avgraumlnsningar 1

15 Precisering av fraringgestaumlllningen 1

2 Teknisk bakgrund 2

21 Projektkurs 2

22 Yamar 3

23 Modulationstekniker 3

3 Genomfoumlrande 5

31 Komponenter 5

32 Program 7

33 Modulering 8

34 Demodulering 14

4 Resultat amp Analys 17

41 Diskussion 18

411 Planering 18

412 Oscillatorerna 18

413 Simuleringsprogram 18

414 Kritisk diskussion 18

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter 19

V

Ordlista

CAN ndash Controller Area Network

LIN ndash Local Interconnect Network

ASK ndash Amplitude Shift Keying

FSK ndash Frequency Shift Keying

PSK ndash Phase Shift Keying

BPSK - Binary Phase Shift Keying

QPSK - Quadrature Phase Shift Keying

VCO - Voltage Controlled Oscillator

PLL - Phase Looked Loop

Op-amp - Operation amplifier

LP-filter - Laringgpass filter

HP-filter - Houmlgpass filter

BP-filter - Bandpass filter

I-data - Jaumlmna bitar i varingr data

Q-data - Udda bitar i varingr data

PIC - Peripheral Interface Controller

1

1 Inledning

Inom fordonsindustrin oumlkar antalet elektronikenheter som behoumlver kommunicera med

varandra Detta leder till ett behov av fler kablar och stoumlrre kabelmattor vilket oumlkar kostnaden

och foumlrsvaringrar montering Rapporten handlar om tekniker som kan oumlverfoumlra kommunikationen

oumlver fordonets elnaumlt och paring saring vis spara kablar och minskar kabelmattor

11 Bakgrund

I dagens fordonsbransch har det boumlrjat uppstaring ett behov av en alternativ loumlsning foumlr

kommunikation Detta aumlr paring grund av den vaumlxande maumlngden funktioner och enheter som

behoumlver kommunicera med varandra och aumlven kraumlver ett oumlkat antalet kablar

Det aumlr daumlrfoumlr intressant att undersoumlka alternativa kommunikationsmetoder framfoumlr allt

metoder som inte behoumlver ett eget kommunikationsnaumlt av kablar Tanken aumlr att CAN- och

LIN-naumltverken skall ersaumlttas med en alternativ metod vilken oumlverfoumlr informationen oumlver

elnaumltet i fordonet

12 Syfte

Varingrt syfte aumlr att ta fram en teknik som kan kommunicera oumlver det befintliga dc-matade elnaumltet

i ett fordon Detta foumlr att kunna ersaumltta dagens CAN- och LIN-naumltverk i dagens fordon och paring

saring saumltt dra ned paring maumlngden kablage

13 Maringl

Varingrt maringl aumlr att med hjaumllp av BPSK alternativt QPSK teknik ta fram en modul som kan

kommunicera oumlver en dc-matad kabel Detta skall ske med en dataoumlverfoumlringshastighet av

minst 05Mbits

14 Avgraumlnsningar

Projektet kommer inte att beroumlra hur ett eventuellt kommunikationsprotokoll kommer att se ut

foumlr saumlndning och mottagning av data

Vi kommer heller inte att behandla det grafiska interfacet vilket kommer att behoumlvas foumlr att

implementera uppdateringar etc Beslut gaumlllande vilken typ av mikroprocessor som kommer

att anvaumlndas goumlrs ej av oss utan istaumlllet av en mjukvaru-grupp som vi samarbetar med

15 Precisering av fraringgestaumlllningen

Fraringgestaumlllningar som behandlas i rapporten

Vilken typ av modulering aumlr vaumlrd att undersoumlka

Vilken hastighet kommer tekniken att klara av

Garingr det att spaumlnningsmata alla komponenter med hjaumllpa av det befintliga elnaumltet

Aumlr tekniken full-duplex kompatibel

Aumlr tekniken implementerbar i fordon

2

2 Teknisk bakgrund

21 Projektkurs

Innan arbetet paringboumlrjades laumlste vi en projektkurs paring 8 veckor daumlr vi skulle konstruera ett

system med envaumlgskommunikation detta skulle kommunicera oumlver ett dc-matad likstroumlmsnaumlt

Projektet var ett saring kallat proof of concept som skulle undersoumlka om det aumlr moumljligt att

kommunicera oumlver ett dc-matat elnaumlt I projektet anvaumlndes tvaring loumlsningar en digital och en

analog I den digitala loumlsningen anvaumlndes bara tvaring stycken Arduino som kommunicerade med

varandra Med denna loumlsning blev det dock mycket bitfel daring vi testade denna loumlsning paring en

spaumlnningsmatad kabel Saring vi beslutade oss foumlr att utveckla den analoga loumlsningen istaumlllet

I den analoga loumlsningen anvaumlnde vi tvaring olika frekvenser som representerade noll eller ett

Dessa frekvenser skapades med tvaring fasskiftoscillatorer som vi sjaumllva konstruerade

Vilken frekvens som skickades ut paring bussen bestaumlmdes med en mux vilken kontrollerades av

en Arduino Mottagarsidan bestod av tvaring bandpassfilter dessa slaumlppte igenom de tvaring

frekvenserna Daumlrefter likriktades signalerna och jaumlmfoumlrdes i en komparator vilken sedan

laumlstes av en annan Arduino Signalseparatorerna anvaumlndes foumlr att separera ut ac-signalen [20]

Kommunikationssystemet kom upp i en hastighet paring 5k bits och oumlver daring tillkom det

stoumlrningar som orsakade bitfel Figur 21 visar en ritning paring hur systemet saringg ut i

projektkursen

Figur 21 Ritning paring analoga loumlsningen fraringn projektkurs

3

22 Yamar

Det finns foumlr naumlrvarande endast naringgra faring faumlrdiga loumlsningar paring marknaden som aumlr gjorda foumlr

kommunikation oumlver dc-elnaumlt i bilar

Vi har haft moumljligheten att undersoumlka en produkt fraringn ett israeliskt foumlretag Yamar Detta

foumlretag saumlgs ha utvecklat ett fullt fungerande system foumlr kommunikation oumlver likstroumlmselnaumlt

De moduler vi fick studera naumlrmare var DCB1M evaluation board i kombination med

DCB1M USB PC interface Paring modulerna gick det att staumllla in beroende paring om BPSK eller

QPSK skulle anvaumlndas och aumlven vilken oumlverfoumlringshastighet Naumlr vi testade BPSK foumlrsvann

det inte maringnga bitar men naumlr vi staumlllde in den paring att koumlra QPSK i maximal

oumlverfoumlringshastighet saring foumlrsvann upp till 40-60 av bitarna Vilket inte aumlr stabilt framfoumlr

allt daring den spaumlnningsmatadekabeln mellan modulerna inte var laumlngre aumln en meter och

informationen mellan modul och PC anvaumlnde sig USB Det kom alltid fram raumltt bitvaumlrden saring

foumlrmodligen har de loumlst de foumlrsvunna bitarna genom felkorrigering i oumlverfoumlringsprotokollet

Detta test gjordes med ett spaumlnningsaggregat som matade modulerna och aumlven spaumlnningssatte

kabeln Kabelns laumlngd mellan modulerna var fem meter Modulerna aumlr isolerade av ett

plasthoumllje [11]

23 Modulationstekniker

Modulation innebaumlr oumlverlagrad information paring en baumlrvaringg vilken aumlr skickad fraringn en saumlndare

[1][6]

AM Amplitudmodulation(ASK)

Amplitudmodulation innebaumlr en foumlraumlndring av amplitudnivaringn paring saumlndarensbaumlrvaringgsignal

Genom en modulation av amplitudnivaringn garingr det att oumlverfoumlra information med signalen En

houmlg amplitud motsvarar ett houmlgt vaumlrde och en laringg amplitud innebaumlr att signalen har ett laringgt

Genom denna amplitudfoumlraumlnding mellan houmlg och laringg amplitud garingr det att oumlverfoumlra

information med hjaumllp av amplitudmodulation Det finns maringnga olika tekniker som utnyttjar

detta inom bland annat radiokommunikation[1]

FM Frekvensmodulation(FSK)

Istaumlllet foumlr att aumlndra amplituden paring baumlrvaringgen saring varierar frekvensen Genom att anvaumlnda en

bestaumlmd frekvens och variera den upp och ner garingr det att skicka information [1]

4

PM Fasmodulation(PSK)

Detta innebaumlr att signalens fas aumlndras foumlr att representera olika vaumlrden vilket medfoumlr att

amplituden blir konstant Beroende paring hur mycket fasen aumlr vriden representerar fasen ett houmlgt

eller laringgt vaumlrde [1][6][8]

BPSK aumlr en fasmodulationsteknik som baserar sig paring att fasen antingen aumlr 0 grader

eller fasvriden 180 grader Den ena fasen representerar logisk nolla och den andra

logisk etta

QPSK aumlr en fasmodulationsteknik som fasvridits 090180270 grader Detta fungerar

paring samma saumltt som BPSK fast tekniken anvaumlnder sig av yttligare tvaring faser Vilket goumlr

att det garingr att skicka mer information under samma tid Detta innebaumlr att man faringr fyra

punkter daumlr man kan laumlsa av signalen som i sin tur representerar tvaring bitar Vaumlrdet beror

paring i vilken kvadrant fasen ligger i se figur 22

Figur 22 Konstellations diagram oumlver QPSK med graykod

8-PSK

Fasfoumlrskjutning med aringtta olika vaumlrden

16-PSK

Fasfoumlrskjutning med sexton olika vaumlrden

5

3 Genomfoumlrande

31 Komponenter

Mixer

Mixern aumlr en treports komponent som aumlr viktig paring flera saumltt inom de olika

modulationstekninkerna Den anvaumlnds till exempel till om man vill flytta en signal fraringn en

viss frekvens till en annan Detta kan man goumlra daring mixerns utsignal huvudsakligen bestaringr av

tvaring nya frekvenser som aumlr summan och differensen av dess tvaring insignaler daring tillkommer aumlven

en viss del oumlvertoner av dess insignaler Sedan kan man enkelt vaumllja vilken signal man vill ha

genom filtrering [2]

Spaumlnningsregulator

En spaumlnningsregulator aumlr en krets som anvaumlnds foumlr att reglera en spaumlnning till ett oumlnskat vaumlrde

Aumlven om spaumlnningen in till regulatorn skulle variera faringr den ett fixerat vaumlrde ut som bestaumlms

av dimensioneringen av motstaringnden i Figur 32 [17]

Polinverterare

Foumlr att faring ut varingr negativa matning till varingra operationsfoumlrstaumlrkare anvaumlnder vi oss av en krets

som heter LTC7660 Med hjaumllp av tvaring stycken kondensatorer som sitter i anslutning med

polinverteraren garingr det att faring ut den inverterade matningsspaumlnning [19]

6

Operationsfoumlrstaumlrkare

En operationsfoumlrstaumlrkare har maringnga anvaumlndningsomraringden Den garingr att koppla ihop med filter

saring att filter och foumlrstaumlrkning kan kombineras Den kan kopplas som allpassfilter vilken slaumlpper

igenom alla frekvenser och kan fasfoumlrskjuta signalen i ett bestaumlmt antal grader

Vid valet av vilken operationsfoumlrstaumlrkare som skall anvaumlndas var vi tvungna att ta haumlnsyn till

att den maringste klara av att arbeta med varingra oumlnskade frekvenser Foumlr att vara saumlkra paring detta

valde vi att ha en saumlkerhetsmarginal med en faktor tio Det innebaumlr att eftersom vi inte arbetar

med frekvenser oumlver 10 MHz innebaumlr detta att operationsfoumlrstaumlrkaren behoumlver klara att arbeta

vid en frekvens paring 100MHz Valet foumlll daring paring LM6172 som dessutom inneharingller tvaring stycken

se figur 24 [3]

Figur 24 Operationsfoumlrstaumlrkaren LM6172

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

Powerline Communication

Hardware

Martin Jakobsson Andreas Arrefelt Augustsson

copy Martin Jakobsson Andreas Arrefelt Augustsson 2014

Institutionen foumlr data- och informationsteknik

Chalmers tekniska houmlgskola

412 96 Goumlteborg

Tel 031-772 1000

Fax 031-772 3663

[Graf oumlver fasfoumlrskjutningen i LTspice]

Institutionen foumlr data- och informationsteknik

Goumlteborg 2014

I

Foumlrord Rapporten aumlr ett examensarbete som har gjorts paring Chalmers tekniska houmlgskola campus Lindholmen

under en period paring 10 veckor

Vi vill ge ett stort tack till varingr handledare Sakib paring Chalmers som har varit ett stort stoumld foumlr oss genom

projektet

Vi vill tacka Alixander och Andreas som aumlr varingra handledare fraringn Sigma

VI villpassa paring att tacka Goumlran Hult foumlr assistans med simuleringsprogram och Arto Heikkilauml foumlr tips

om litteratur

Aumlven ett stort tack till Johan och Mohammed som har gjort ett liknande projekt som vi har kunnat

bolla ideacuter med Aumlven kaumlnda som mjukvaru-gruppen

Tack till Fabian och Joakim som vi har delat grupprum med

II

Sammanfattning

Inom fordonsindustrin oumlkar behovet av elektronikenheter som kommunicerar mellan

varandra Det oumlkande behovet av elektronikenheterna aumlr paring grund av att det tillkommer allt

fler styr- och reglersystem Det leder till att maumlngden information blir stoumlrre och maringste

skickas snabbare vilket medfoumlr att antalet kommunikationskablar maringste oumlka Detta aumlr ej

oumlnskvaumlrt

Foumlr att loumlsa det haumlr problemet har vi foumlr avsikt att konstruera ett kommunikationssystem som

skickar information oumlver det befintliga dc-matade elnaumltet i fordonet Paring saring saumltt minskar antalet

kommunikationskablar

Systemet kommer att bygga paring BPSKQPSK och kommer att vara saring haringrdvarubaserat som

moumljligt daring vi ej behandlar naringgon mjukvara

III

Summary

In todayrsquos vehicle industry the demand of electronics devices that can communicate with

each other is increasing The increasing demand of electronics is due to more and more

automatic control systems This leads to an increase in the amount of information needed to

be sent and the speed of the information needs to increase which in turn leads to that the

amount of cables must also increase An increase of cables is undesirable

To show this problem we intend to construct a communications system that sends all it is

information on the existing dc-powered distribution grid With this solution the amount of

cables needed will reduce

Our system will be based on BPSKQPSK technology and our focus will be on doing as much

as possible with only hardware as we will not discuss any software in this project

IV

Inneharingllsfoumlrteckning 1 Inledning 1

11 Bakgrund 1

12 Syfte 1

13 Maringl 1

14 Avgraumlnsningar 1

15 Precisering av fraringgestaumlllningen 1

2 Teknisk bakgrund 2

21 Projektkurs 2

22 Yamar 3

23 Modulationstekniker 3

3 Genomfoumlrande 5

31 Komponenter 5

32 Program 7

33 Modulering 8

34 Demodulering 14

4 Resultat amp Analys 17

41 Diskussion 18

411 Planering 18

412 Oscillatorerna 18

413 Simuleringsprogram 18

414 Kritisk diskussion 18

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter 19

V

Ordlista

CAN ndash Controller Area Network

LIN ndash Local Interconnect Network

ASK ndash Amplitude Shift Keying

FSK ndash Frequency Shift Keying

PSK ndash Phase Shift Keying

BPSK - Binary Phase Shift Keying

QPSK - Quadrature Phase Shift Keying

VCO - Voltage Controlled Oscillator

PLL - Phase Looked Loop

Op-amp - Operation amplifier

LP-filter - Laringgpass filter

HP-filter - Houmlgpass filter

BP-filter - Bandpass filter

I-data - Jaumlmna bitar i varingr data

Q-data - Udda bitar i varingr data

PIC - Peripheral Interface Controller

1

1 Inledning

Inom fordonsindustrin oumlkar antalet elektronikenheter som behoumlver kommunicera med

varandra Detta leder till ett behov av fler kablar och stoumlrre kabelmattor vilket oumlkar kostnaden

och foumlrsvaringrar montering Rapporten handlar om tekniker som kan oumlverfoumlra kommunikationen

oumlver fordonets elnaumlt och paring saring vis spara kablar och minskar kabelmattor

11 Bakgrund

I dagens fordonsbransch har det boumlrjat uppstaring ett behov av en alternativ loumlsning foumlr

kommunikation Detta aumlr paring grund av den vaumlxande maumlngden funktioner och enheter som

behoumlver kommunicera med varandra och aumlven kraumlver ett oumlkat antalet kablar

Det aumlr daumlrfoumlr intressant att undersoumlka alternativa kommunikationsmetoder framfoumlr allt

metoder som inte behoumlver ett eget kommunikationsnaumlt av kablar Tanken aumlr att CAN- och

LIN-naumltverken skall ersaumlttas med en alternativ metod vilken oumlverfoumlr informationen oumlver

elnaumltet i fordonet

12 Syfte

Varingrt syfte aumlr att ta fram en teknik som kan kommunicera oumlver det befintliga dc-matade elnaumltet

i ett fordon Detta foumlr att kunna ersaumltta dagens CAN- och LIN-naumltverk i dagens fordon och paring

saring saumltt dra ned paring maumlngden kablage

13 Maringl

Varingrt maringl aumlr att med hjaumllp av BPSK alternativt QPSK teknik ta fram en modul som kan

kommunicera oumlver en dc-matad kabel Detta skall ske med en dataoumlverfoumlringshastighet av

minst 05Mbits

14 Avgraumlnsningar

Projektet kommer inte att beroumlra hur ett eventuellt kommunikationsprotokoll kommer att se ut

foumlr saumlndning och mottagning av data

Vi kommer heller inte att behandla det grafiska interfacet vilket kommer att behoumlvas foumlr att

implementera uppdateringar etc Beslut gaumlllande vilken typ av mikroprocessor som kommer

att anvaumlndas goumlrs ej av oss utan istaumlllet av en mjukvaru-grupp som vi samarbetar med

15 Precisering av fraringgestaumlllningen

Fraringgestaumlllningar som behandlas i rapporten

Vilken typ av modulering aumlr vaumlrd att undersoumlka

Vilken hastighet kommer tekniken att klara av

Garingr det att spaumlnningsmata alla komponenter med hjaumllpa av det befintliga elnaumltet

Aumlr tekniken full-duplex kompatibel

Aumlr tekniken implementerbar i fordon

2

2 Teknisk bakgrund

21 Projektkurs

Innan arbetet paringboumlrjades laumlste vi en projektkurs paring 8 veckor daumlr vi skulle konstruera ett

system med envaumlgskommunikation detta skulle kommunicera oumlver ett dc-matad likstroumlmsnaumlt

Projektet var ett saring kallat proof of concept som skulle undersoumlka om det aumlr moumljligt att

kommunicera oumlver ett dc-matat elnaumlt I projektet anvaumlndes tvaring loumlsningar en digital och en

analog I den digitala loumlsningen anvaumlndes bara tvaring stycken Arduino som kommunicerade med

varandra Med denna loumlsning blev det dock mycket bitfel daring vi testade denna loumlsning paring en

spaumlnningsmatad kabel Saring vi beslutade oss foumlr att utveckla den analoga loumlsningen istaumlllet

I den analoga loumlsningen anvaumlnde vi tvaring olika frekvenser som representerade noll eller ett

Dessa frekvenser skapades med tvaring fasskiftoscillatorer som vi sjaumllva konstruerade

Vilken frekvens som skickades ut paring bussen bestaumlmdes med en mux vilken kontrollerades av

en Arduino Mottagarsidan bestod av tvaring bandpassfilter dessa slaumlppte igenom de tvaring

frekvenserna Daumlrefter likriktades signalerna och jaumlmfoumlrdes i en komparator vilken sedan

laumlstes av en annan Arduino Signalseparatorerna anvaumlndes foumlr att separera ut ac-signalen [20]

Kommunikationssystemet kom upp i en hastighet paring 5k bits och oumlver daring tillkom det

stoumlrningar som orsakade bitfel Figur 21 visar en ritning paring hur systemet saringg ut i

projektkursen

Figur 21 Ritning paring analoga loumlsningen fraringn projektkurs

3

22 Yamar

Det finns foumlr naumlrvarande endast naringgra faring faumlrdiga loumlsningar paring marknaden som aumlr gjorda foumlr

kommunikation oumlver dc-elnaumlt i bilar

Vi har haft moumljligheten att undersoumlka en produkt fraringn ett israeliskt foumlretag Yamar Detta

foumlretag saumlgs ha utvecklat ett fullt fungerande system foumlr kommunikation oumlver likstroumlmselnaumlt

De moduler vi fick studera naumlrmare var DCB1M evaluation board i kombination med

DCB1M USB PC interface Paring modulerna gick det att staumllla in beroende paring om BPSK eller

QPSK skulle anvaumlndas och aumlven vilken oumlverfoumlringshastighet Naumlr vi testade BPSK foumlrsvann

det inte maringnga bitar men naumlr vi staumlllde in den paring att koumlra QPSK i maximal

oumlverfoumlringshastighet saring foumlrsvann upp till 40-60 av bitarna Vilket inte aumlr stabilt framfoumlr

allt daring den spaumlnningsmatadekabeln mellan modulerna inte var laumlngre aumln en meter och

informationen mellan modul och PC anvaumlnde sig USB Det kom alltid fram raumltt bitvaumlrden saring

foumlrmodligen har de loumlst de foumlrsvunna bitarna genom felkorrigering i oumlverfoumlringsprotokollet

Detta test gjordes med ett spaumlnningsaggregat som matade modulerna och aumlven spaumlnningssatte

kabeln Kabelns laumlngd mellan modulerna var fem meter Modulerna aumlr isolerade av ett

plasthoumllje [11]

23 Modulationstekniker

Modulation innebaumlr oumlverlagrad information paring en baumlrvaringg vilken aumlr skickad fraringn en saumlndare

[1][6]

AM Amplitudmodulation(ASK)

Amplitudmodulation innebaumlr en foumlraumlndring av amplitudnivaringn paring saumlndarensbaumlrvaringgsignal

Genom en modulation av amplitudnivaringn garingr det att oumlverfoumlra information med signalen En

houmlg amplitud motsvarar ett houmlgt vaumlrde och en laringg amplitud innebaumlr att signalen har ett laringgt

Genom denna amplitudfoumlraumlnding mellan houmlg och laringg amplitud garingr det att oumlverfoumlra

information med hjaumllp av amplitudmodulation Det finns maringnga olika tekniker som utnyttjar

detta inom bland annat radiokommunikation[1]

FM Frekvensmodulation(FSK)

Istaumlllet foumlr att aumlndra amplituden paring baumlrvaringgen saring varierar frekvensen Genom att anvaumlnda en

bestaumlmd frekvens och variera den upp och ner garingr det att skicka information [1]

4

PM Fasmodulation(PSK)

Detta innebaumlr att signalens fas aumlndras foumlr att representera olika vaumlrden vilket medfoumlr att

amplituden blir konstant Beroende paring hur mycket fasen aumlr vriden representerar fasen ett houmlgt

eller laringgt vaumlrde [1][6][8]

BPSK aumlr en fasmodulationsteknik som baserar sig paring att fasen antingen aumlr 0 grader

eller fasvriden 180 grader Den ena fasen representerar logisk nolla och den andra

logisk etta

QPSK aumlr en fasmodulationsteknik som fasvridits 090180270 grader Detta fungerar

paring samma saumltt som BPSK fast tekniken anvaumlnder sig av yttligare tvaring faser Vilket goumlr

att det garingr att skicka mer information under samma tid Detta innebaumlr att man faringr fyra

punkter daumlr man kan laumlsa av signalen som i sin tur representerar tvaring bitar Vaumlrdet beror

paring i vilken kvadrant fasen ligger i se figur 22

Figur 22 Konstellations diagram oumlver QPSK med graykod

8-PSK

Fasfoumlrskjutning med aringtta olika vaumlrden

16-PSK

Fasfoumlrskjutning med sexton olika vaumlrden

5

3 Genomfoumlrande

31 Komponenter

Mixer

Mixern aumlr en treports komponent som aumlr viktig paring flera saumltt inom de olika

modulationstekninkerna Den anvaumlnds till exempel till om man vill flytta en signal fraringn en

viss frekvens till en annan Detta kan man goumlra daring mixerns utsignal huvudsakligen bestaringr av

tvaring nya frekvenser som aumlr summan och differensen av dess tvaring insignaler daring tillkommer aumlven

en viss del oumlvertoner av dess insignaler Sedan kan man enkelt vaumllja vilken signal man vill ha

genom filtrering [2]

Spaumlnningsregulator

En spaumlnningsregulator aumlr en krets som anvaumlnds foumlr att reglera en spaumlnning till ett oumlnskat vaumlrde

Aumlven om spaumlnningen in till regulatorn skulle variera faringr den ett fixerat vaumlrde ut som bestaumlms

av dimensioneringen av motstaringnden i Figur 32 [17]

Polinverterare

Foumlr att faring ut varingr negativa matning till varingra operationsfoumlrstaumlrkare anvaumlnder vi oss av en krets

som heter LTC7660 Med hjaumllp av tvaring stycken kondensatorer som sitter i anslutning med

polinverteraren garingr det att faring ut den inverterade matningsspaumlnning [19]

6

Operationsfoumlrstaumlrkare

En operationsfoumlrstaumlrkare har maringnga anvaumlndningsomraringden Den garingr att koppla ihop med filter

saring att filter och foumlrstaumlrkning kan kombineras Den kan kopplas som allpassfilter vilken slaumlpper

igenom alla frekvenser och kan fasfoumlrskjuta signalen i ett bestaumlmt antal grader

Vid valet av vilken operationsfoumlrstaumlrkare som skall anvaumlndas var vi tvungna att ta haumlnsyn till

att den maringste klara av att arbeta med varingra oumlnskade frekvenser Foumlr att vara saumlkra paring detta

valde vi att ha en saumlkerhetsmarginal med en faktor tio Det innebaumlr att eftersom vi inte arbetar

med frekvenser oumlver 10 MHz innebaumlr detta att operationsfoumlrstaumlrkaren behoumlver klara att arbeta

vid en frekvens paring 100MHz Valet foumlll daring paring LM6172 som dessutom inneharingller tvaring stycken

se figur 24 [3]

Figur 24 Operationsfoumlrstaumlrkaren LM6172

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

I

Foumlrord Rapporten aumlr ett examensarbete som har gjorts paring Chalmers tekniska houmlgskola campus Lindholmen

under en period paring 10 veckor

Vi vill ge ett stort tack till varingr handledare Sakib paring Chalmers som har varit ett stort stoumld foumlr oss genom

projektet

Vi vill tacka Alixander och Andreas som aumlr varingra handledare fraringn Sigma

VI villpassa paring att tacka Goumlran Hult foumlr assistans med simuleringsprogram och Arto Heikkilauml foumlr tips

om litteratur

Aumlven ett stort tack till Johan och Mohammed som har gjort ett liknande projekt som vi har kunnat

bolla ideacuter med Aumlven kaumlnda som mjukvaru-gruppen

Tack till Fabian och Joakim som vi har delat grupprum med

II

Sammanfattning

Inom fordonsindustrin oumlkar behovet av elektronikenheter som kommunicerar mellan

varandra Det oumlkande behovet av elektronikenheterna aumlr paring grund av att det tillkommer allt

fler styr- och reglersystem Det leder till att maumlngden information blir stoumlrre och maringste

skickas snabbare vilket medfoumlr att antalet kommunikationskablar maringste oumlka Detta aumlr ej

oumlnskvaumlrt

Foumlr att loumlsa det haumlr problemet har vi foumlr avsikt att konstruera ett kommunikationssystem som

skickar information oumlver det befintliga dc-matade elnaumltet i fordonet Paring saring saumltt minskar antalet

kommunikationskablar

Systemet kommer att bygga paring BPSKQPSK och kommer att vara saring haringrdvarubaserat som

moumljligt daring vi ej behandlar naringgon mjukvara

III

Summary

In todayrsquos vehicle industry the demand of electronics devices that can communicate with

each other is increasing The increasing demand of electronics is due to more and more

automatic control systems This leads to an increase in the amount of information needed to

be sent and the speed of the information needs to increase which in turn leads to that the

amount of cables must also increase An increase of cables is undesirable

To show this problem we intend to construct a communications system that sends all it is

information on the existing dc-powered distribution grid With this solution the amount of

cables needed will reduce

Our system will be based on BPSKQPSK technology and our focus will be on doing as much

as possible with only hardware as we will not discuss any software in this project

IV

Inneharingllsfoumlrteckning 1 Inledning 1

11 Bakgrund 1

12 Syfte 1

13 Maringl 1

14 Avgraumlnsningar 1

15 Precisering av fraringgestaumlllningen 1

2 Teknisk bakgrund 2

21 Projektkurs 2

22 Yamar 3

23 Modulationstekniker 3

3 Genomfoumlrande 5

31 Komponenter 5

32 Program 7

33 Modulering 8

34 Demodulering 14

4 Resultat amp Analys 17

41 Diskussion 18

411 Planering 18

412 Oscillatorerna 18

413 Simuleringsprogram 18

414 Kritisk diskussion 18

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter 19

V

Ordlista

CAN ndash Controller Area Network

LIN ndash Local Interconnect Network

ASK ndash Amplitude Shift Keying

FSK ndash Frequency Shift Keying

PSK ndash Phase Shift Keying

BPSK - Binary Phase Shift Keying

QPSK - Quadrature Phase Shift Keying

VCO - Voltage Controlled Oscillator

PLL - Phase Looked Loop

Op-amp - Operation amplifier

LP-filter - Laringgpass filter

HP-filter - Houmlgpass filter

BP-filter - Bandpass filter

I-data - Jaumlmna bitar i varingr data

Q-data - Udda bitar i varingr data

PIC - Peripheral Interface Controller

1

1 Inledning

Inom fordonsindustrin oumlkar antalet elektronikenheter som behoumlver kommunicera med

varandra Detta leder till ett behov av fler kablar och stoumlrre kabelmattor vilket oumlkar kostnaden

och foumlrsvaringrar montering Rapporten handlar om tekniker som kan oumlverfoumlra kommunikationen

oumlver fordonets elnaumlt och paring saring vis spara kablar och minskar kabelmattor

11 Bakgrund

I dagens fordonsbransch har det boumlrjat uppstaring ett behov av en alternativ loumlsning foumlr

kommunikation Detta aumlr paring grund av den vaumlxande maumlngden funktioner och enheter som

behoumlver kommunicera med varandra och aumlven kraumlver ett oumlkat antalet kablar

Det aumlr daumlrfoumlr intressant att undersoumlka alternativa kommunikationsmetoder framfoumlr allt

metoder som inte behoumlver ett eget kommunikationsnaumlt av kablar Tanken aumlr att CAN- och

LIN-naumltverken skall ersaumlttas med en alternativ metod vilken oumlverfoumlr informationen oumlver

elnaumltet i fordonet

12 Syfte

Varingrt syfte aumlr att ta fram en teknik som kan kommunicera oumlver det befintliga dc-matade elnaumltet

i ett fordon Detta foumlr att kunna ersaumltta dagens CAN- och LIN-naumltverk i dagens fordon och paring

saring saumltt dra ned paring maumlngden kablage

13 Maringl

Varingrt maringl aumlr att med hjaumllp av BPSK alternativt QPSK teknik ta fram en modul som kan

kommunicera oumlver en dc-matad kabel Detta skall ske med en dataoumlverfoumlringshastighet av

minst 05Mbits

14 Avgraumlnsningar

Projektet kommer inte att beroumlra hur ett eventuellt kommunikationsprotokoll kommer att se ut

foumlr saumlndning och mottagning av data

Vi kommer heller inte att behandla det grafiska interfacet vilket kommer att behoumlvas foumlr att

implementera uppdateringar etc Beslut gaumlllande vilken typ av mikroprocessor som kommer

att anvaumlndas goumlrs ej av oss utan istaumlllet av en mjukvaru-grupp som vi samarbetar med

15 Precisering av fraringgestaumlllningen

Fraringgestaumlllningar som behandlas i rapporten

Vilken typ av modulering aumlr vaumlrd att undersoumlka

Vilken hastighet kommer tekniken att klara av

Garingr det att spaumlnningsmata alla komponenter med hjaumllpa av det befintliga elnaumltet

Aumlr tekniken full-duplex kompatibel

Aumlr tekniken implementerbar i fordon

2

2 Teknisk bakgrund

21 Projektkurs

Innan arbetet paringboumlrjades laumlste vi en projektkurs paring 8 veckor daumlr vi skulle konstruera ett

system med envaumlgskommunikation detta skulle kommunicera oumlver ett dc-matad likstroumlmsnaumlt

Projektet var ett saring kallat proof of concept som skulle undersoumlka om det aumlr moumljligt att

kommunicera oumlver ett dc-matat elnaumlt I projektet anvaumlndes tvaring loumlsningar en digital och en

analog I den digitala loumlsningen anvaumlndes bara tvaring stycken Arduino som kommunicerade med

varandra Med denna loumlsning blev det dock mycket bitfel daring vi testade denna loumlsning paring en

spaumlnningsmatad kabel Saring vi beslutade oss foumlr att utveckla den analoga loumlsningen istaumlllet

I den analoga loumlsningen anvaumlnde vi tvaring olika frekvenser som representerade noll eller ett

Dessa frekvenser skapades med tvaring fasskiftoscillatorer som vi sjaumllva konstruerade

Vilken frekvens som skickades ut paring bussen bestaumlmdes med en mux vilken kontrollerades av

en Arduino Mottagarsidan bestod av tvaring bandpassfilter dessa slaumlppte igenom de tvaring

frekvenserna Daumlrefter likriktades signalerna och jaumlmfoumlrdes i en komparator vilken sedan

laumlstes av en annan Arduino Signalseparatorerna anvaumlndes foumlr att separera ut ac-signalen [20]

Kommunikationssystemet kom upp i en hastighet paring 5k bits och oumlver daring tillkom det

stoumlrningar som orsakade bitfel Figur 21 visar en ritning paring hur systemet saringg ut i

projektkursen

Figur 21 Ritning paring analoga loumlsningen fraringn projektkurs

3

22 Yamar

Det finns foumlr naumlrvarande endast naringgra faring faumlrdiga loumlsningar paring marknaden som aumlr gjorda foumlr

kommunikation oumlver dc-elnaumlt i bilar

Vi har haft moumljligheten att undersoumlka en produkt fraringn ett israeliskt foumlretag Yamar Detta

foumlretag saumlgs ha utvecklat ett fullt fungerande system foumlr kommunikation oumlver likstroumlmselnaumlt

De moduler vi fick studera naumlrmare var DCB1M evaluation board i kombination med

DCB1M USB PC interface Paring modulerna gick det att staumllla in beroende paring om BPSK eller

QPSK skulle anvaumlndas och aumlven vilken oumlverfoumlringshastighet Naumlr vi testade BPSK foumlrsvann

det inte maringnga bitar men naumlr vi staumlllde in den paring att koumlra QPSK i maximal

oumlverfoumlringshastighet saring foumlrsvann upp till 40-60 av bitarna Vilket inte aumlr stabilt framfoumlr

allt daring den spaumlnningsmatadekabeln mellan modulerna inte var laumlngre aumln en meter och

informationen mellan modul och PC anvaumlnde sig USB Det kom alltid fram raumltt bitvaumlrden saring

foumlrmodligen har de loumlst de foumlrsvunna bitarna genom felkorrigering i oumlverfoumlringsprotokollet

Detta test gjordes med ett spaumlnningsaggregat som matade modulerna och aumlven spaumlnningssatte

kabeln Kabelns laumlngd mellan modulerna var fem meter Modulerna aumlr isolerade av ett

plasthoumllje [11]

23 Modulationstekniker

Modulation innebaumlr oumlverlagrad information paring en baumlrvaringg vilken aumlr skickad fraringn en saumlndare

[1][6]

AM Amplitudmodulation(ASK)

Amplitudmodulation innebaumlr en foumlraumlndring av amplitudnivaringn paring saumlndarensbaumlrvaringgsignal

Genom en modulation av amplitudnivaringn garingr det att oumlverfoumlra information med signalen En

houmlg amplitud motsvarar ett houmlgt vaumlrde och en laringg amplitud innebaumlr att signalen har ett laringgt

Genom denna amplitudfoumlraumlnding mellan houmlg och laringg amplitud garingr det att oumlverfoumlra

information med hjaumllp av amplitudmodulation Det finns maringnga olika tekniker som utnyttjar

detta inom bland annat radiokommunikation[1]

FM Frekvensmodulation(FSK)

Istaumlllet foumlr att aumlndra amplituden paring baumlrvaringgen saring varierar frekvensen Genom att anvaumlnda en

bestaumlmd frekvens och variera den upp och ner garingr det att skicka information [1]

4

PM Fasmodulation(PSK)

Detta innebaumlr att signalens fas aumlndras foumlr att representera olika vaumlrden vilket medfoumlr att

amplituden blir konstant Beroende paring hur mycket fasen aumlr vriden representerar fasen ett houmlgt

eller laringgt vaumlrde [1][6][8]

BPSK aumlr en fasmodulationsteknik som baserar sig paring att fasen antingen aumlr 0 grader

eller fasvriden 180 grader Den ena fasen representerar logisk nolla och den andra

logisk etta

QPSK aumlr en fasmodulationsteknik som fasvridits 090180270 grader Detta fungerar

paring samma saumltt som BPSK fast tekniken anvaumlnder sig av yttligare tvaring faser Vilket goumlr

att det garingr att skicka mer information under samma tid Detta innebaumlr att man faringr fyra

punkter daumlr man kan laumlsa av signalen som i sin tur representerar tvaring bitar Vaumlrdet beror

paring i vilken kvadrant fasen ligger i se figur 22

Figur 22 Konstellations diagram oumlver QPSK med graykod

8-PSK

Fasfoumlrskjutning med aringtta olika vaumlrden

16-PSK

Fasfoumlrskjutning med sexton olika vaumlrden

5

3 Genomfoumlrande

31 Komponenter

Mixer

Mixern aumlr en treports komponent som aumlr viktig paring flera saumltt inom de olika

modulationstekninkerna Den anvaumlnds till exempel till om man vill flytta en signal fraringn en

viss frekvens till en annan Detta kan man goumlra daring mixerns utsignal huvudsakligen bestaringr av

tvaring nya frekvenser som aumlr summan och differensen av dess tvaring insignaler daring tillkommer aumlven

en viss del oumlvertoner av dess insignaler Sedan kan man enkelt vaumllja vilken signal man vill ha

genom filtrering [2]

Spaumlnningsregulator

En spaumlnningsregulator aumlr en krets som anvaumlnds foumlr att reglera en spaumlnning till ett oumlnskat vaumlrde

Aumlven om spaumlnningen in till regulatorn skulle variera faringr den ett fixerat vaumlrde ut som bestaumlms

av dimensioneringen av motstaringnden i Figur 32 [17]

Polinverterare

Foumlr att faring ut varingr negativa matning till varingra operationsfoumlrstaumlrkare anvaumlnder vi oss av en krets

som heter LTC7660 Med hjaumllp av tvaring stycken kondensatorer som sitter i anslutning med

polinverteraren garingr det att faring ut den inverterade matningsspaumlnning [19]

6

Operationsfoumlrstaumlrkare

En operationsfoumlrstaumlrkare har maringnga anvaumlndningsomraringden Den garingr att koppla ihop med filter

saring att filter och foumlrstaumlrkning kan kombineras Den kan kopplas som allpassfilter vilken slaumlpper

igenom alla frekvenser och kan fasfoumlrskjuta signalen i ett bestaumlmt antal grader

Vid valet av vilken operationsfoumlrstaumlrkare som skall anvaumlndas var vi tvungna att ta haumlnsyn till

att den maringste klara av att arbeta med varingra oumlnskade frekvenser Foumlr att vara saumlkra paring detta

valde vi att ha en saumlkerhetsmarginal med en faktor tio Det innebaumlr att eftersom vi inte arbetar

med frekvenser oumlver 10 MHz innebaumlr detta att operationsfoumlrstaumlrkaren behoumlver klara att arbeta

vid en frekvens paring 100MHz Valet foumlll daring paring LM6172 som dessutom inneharingller tvaring stycken

se figur 24 [3]

Figur 24 Operationsfoumlrstaumlrkaren LM6172

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

II

Sammanfattning

Inom fordonsindustrin oumlkar behovet av elektronikenheter som kommunicerar mellan

varandra Det oumlkande behovet av elektronikenheterna aumlr paring grund av att det tillkommer allt

fler styr- och reglersystem Det leder till att maumlngden information blir stoumlrre och maringste

skickas snabbare vilket medfoumlr att antalet kommunikationskablar maringste oumlka Detta aumlr ej

oumlnskvaumlrt

Foumlr att loumlsa det haumlr problemet har vi foumlr avsikt att konstruera ett kommunikationssystem som

skickar information oumlver det befintliga dc-matade elnaumltet i fordonet Paring saring saumltt minskar antalet

kommunikationskablar

Systemet kommer att bygga paring BPSKQPSK och kommer att vara saring haringrdvarubaserat som

moumljligt daring vi ej behandlar naringgon mjukvara

III

Summary

In todayrsquos vehicle industry the demand of electronics devices that can communicate with

each other is increasing The increasing demand of electronics is due to more and more

automatic control systems This leads to an increase in the amount of information needed to

be sent and the speed of the information needs to increase which in turn leads to that the

amount of cables must also increase An increase of cables is undesirable

To show this problem we intend to construct a communications system that sends all it is

information on the existing dc-powered distribution grid With this solution the amount of

cables needed will reduce

Our system will be based on BPSKQPSK technology and our focus will be on doing as much

as possible with only hardware as we will not discuss any software in this project

IV

Inneharingllsfoumlrteckning 1 Inledning 1

11 Bakgrund 1

12 Syfte 1

13 Maringl 1

14 Avgraumlnsningar 1

15 Precisering av fraringgestaumlllningen 1

2 Teknisk bakgrund 2

21 Projektkurs 2

22 Yamar 3

23 Modulationstekniker 3

3 Genomfoumlrande 5

31 Komponenter 5

32 Program 7

33 Modulering 8

34 Demodulering 14

4 Resultat amp Analys 17

41 Diskussion 18

411 Planering 18

412 Oscillatorerna 18

413 Simuleringsprogram 18

414 Kritisk diskussion 18

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter 19

V

Ordlista

CAN ndash Controller Area Network

LIN ndash Local Interconnect Network

ASK ndash Amplitude Shift Keying

FSK ndash Frequency Shift Keying

PSK ndash Phase Shift Keying

BPSK - Binary Phase Shift Keying

QPSK - Quadrature Phase Shift Keying

VCO - Voltage Controlled Oscillator

PLL - Phase Looked Loop

Op-amp - Operation amplifier

LP-filter - Laringgpass filter

HP-filter - Houmlgpass filter

BP-filter - Bandpass filter

I-data - Jaumlmna bitar i varingr data

Q-data - Udda bitar i varingr data

PIC - Peripheral Interface Controller

1

1 Inledning

Inom fordonsindustrin oumlkar antalet elektronikenheter som behoumlver kommunicera med

varandra Detta leder till ett behov av fler kablar och stoumlrre kabelmattor vilket oumlkar kostnaden

och foumlrsvaringrar montering Rapporten handlar om tekniker som kan oumlverfoumlra kommunikationen

oumlver fordonets elnaumlt och paring saring vis spara kablar och minskar kabelmattor

11 Bakgrund

I dagens fordonsbransch har det boumlrjat uppstaring ett behov av en alternativ loumlsning foumlr

kommunikation Detta aumlr paring grund av den vaumlxande maumlngden funktioner och enheter som

behoumlver kommunicera med varandra och aumlven kraumlver ett oumlkat antalet kablar

Det aumlr daumlrfoumlr intressant att undersoumlka alternativa kommunikationsmetoder framfoumlr allt

metoder som inte behoumlver ett eget kommunikationsnaumlt av kablar Tanken aumlr att CAN- och

LIN-naumltverken skall ersaumlttas med en alternativ metod vilken oumlverfoumlr informationen oumlver

elnaumltet i fordonet

12 Syfte

Varingrt syfte aumlr att ta fram en teknik som kan kommunicera oumlver det befintliga dc-matade elnaumltet

i ett fordon Detta foumlr att kunna ersaumltta dagens CAN- och LIN-naumltverk i dagens fordon och paring

saring saumltt dra ned paring maumlngden kablage

13 Maringl

Varingrt maringl aumlr att med hjaumllp av BPSK alternativt QPSK teknik ta fram en modul som kan

kommunicera oumlver en dc-matad kabel Detta skall ske med en dataoumlverfoumlringshastighet av

minst 05Mbits

14 Avgraumlnsningar

Projektet kommer inte att beroumlra hur ett eventuellt kommunikationsprotokoll kommer att se ut

foumlr saumlndning och mottagning av data

Vi kommer heller inte att behandla det grafiska interfacet vilket kommer att behoumlvas foumlr att

implementera uppdateringar etc Beslut gaumlllande vilken typ av mikroprocessor som kommer

att anvaumlndas goumlrs ej av oss utan istaumlllet av en mjukvaru-grupp som vi samarbetar med

15 Precisering av fraringgestaumlllningen

Fraringgestaumlllningar som behandlas i rapporten

Vilken typ av modulering aumlr vaumlrd att undersoumlka

Vilken hastighet kommer tekniken att klara av

Garingr det att spaumlnningsmata alla komponenter med hjaumllpa av det befintliga elnaumltet

Aumlr tekniken full-duplex kompatibel

Aumlr tekniken implementerbar i fordon

2

2 Teknisk bakgrund

21 Projektkurs

Innan arbetet paringboumlrjades laumlste vi en projektkurs paring 8 veckor daumlr vi skulle konstruera ett

system med envaumlgskommunikation detta skulle kommunicera oumlver ett dc-matad likstroumlmsnaumlt

Projektet var ett saring kallat proof of concept som skulle undersoumlka om det aumlr moumljligt att

kommunicera oumlver ett dc-matat elnaumlt I projektet anvaumlndes tvaring loumlsningar en digital och en

analog I den digitala loumlsningen anvaumlndes bara tvaring stycken Arduino som kommunicerade med

varandra Med denna loumlsning blev det dock mycket bitfel daring vi testade denna loumlsning paring en

spaumlnningsmatad kabel Saring vi beslutade oss foumlr att utveckla den analoga loumlsningen istaumlllet

I den analoga loumlsningen anvaumlnde vi tvaring olika frekvenser som representerade noll eller ett

Dessa frekvenser skapades med tvaring fasskiftoscillatorer som vi sjaumllva konstruerade

Vilken frekvens som skickades ut paring bussen bestaumlmdes med en mux vilken kontrollerades av

en Arduino Mottagarsidan bestod av tvaring bandpassfilter dessa slaumlppte igenom de tvaring

frekvenserna Daumlrefter likriktades signalerna och jaumlmfoumlrdes i en komparator vilken sedan

laumlstes av en annan Arduino Signalseparatorerna anvaumlndes foumlr att separera ut ac-signalen [20]

Kommunikationssystemet kom upp i en hastighet paring 5k bits och oumlver daring tillkom det

stoumlrningar som orsakade bitfel Figur 21 visar en ritning paring hur systemet saringg ut i

projektkursen

Figur 21 Ritning paring analoga loumlsningen fraringn projektkurs

3

22 Yamar

Det finns foumlr naumlrvarande endast naringgra faring faumlrdiga loumlsningar paring marknaden som aumlr gjorda foumlr

kommunikation oumlver dc-elnaumlt i bilar

Vi har haft moumljligheten att undersoumlka en produkt fraringn ett israeliskt foumlretag Yamar Detta

foumlretag saumlgs ha utvecklat ett fullt fungerande system foumlr kommunikation oumlver likstroumlmselnaumlt

De moduler vi fick studera naumlrmare var DCB1M evaluation board i kombination med

DCB1M USB PC interface Paring modulerna gick det att staumllla in beroende paring om BPSK eller

QPSK skulle anvaumlndas och aumlven vilken oumlverfoumlringshastighet Naumlr vi testade BPSK foumlrsvann

det inte maringnga bitar men naumlr vi staumlllde in den paring att koumlra QPSK i maximal

oumlverfoumlringshastighet saring foumlrsvann upp till 40-60 av bitarna Vilket inte aumlr stabilt framfoumlr

allt daring den spaumlnningsmatadekabeln mellan modulerna inte var laumlngre aumln en meter och

informationen mellan modul och PC anvaumlnde sig USB Det kom alltid fram raumltt bitvaumlrden saring

foumlrmodligen har de loumlst de foumlrsvunna bitarna genom felkorrigering i oumlverfoumlringsprotokollet

Detta test gjordes med ett spaumlnningsaggregat som matade modulerna och aumlven spaumlnningssatte

kabeln Kabelns laumlngd mellan modulerna var fem meter Modulerna aumlr isolerade av ett

plasthoumllje [11]

23 Modulationstekniker

Modulation innebaumlr oumlverlagrad information paring en baumlrvaringg vilken aumlr skickad fraringn en saumlndare

[1][6]

AM Amplitudmodulation(ASK)

Amplitudmodulation innebaumlr en foumlraumlndring av amplitudnivaringn paring saumlndarensbaumlrvaringgsignal

Genom en modulation av amplitudnivaringn garingr det att oumlverfoumlra information med signalen En

houmlg amplitud motsvarar ett houmlgt vaumlrde och en laringg amplitud innebaumlr att signalen har ett laringgt

Genom denna amplitudfoumlraumlnding mellan houmlg och laringg amplitud garingr det att oumlverfoumlra

information med hjaumllp av amplitudmodulation Det finns maringnga olika tekniker som utnyttjar

detta inom bland annat radiokommunikation[1]

FM Frekvensmodulation(FSK)

Istaumlllet foumlr att aumlndra amplituden paring baumlrvaringgen saring varierar frekvensen Genom att anvaumlnda en

bestaumlmd frekvens och variera den upp och ner garingr det att skicka information [1]

4

PM Fasmodulation(PSK)

Detta innebaumlr att signalens fas aumlndras foumlr att representera olika vaumlrden vilket medfoumlr att

amplituden blir konstant Beroende paring hur mycket fasen aumlr vriden representerar fasen ett houmlgt

eller laringgt vaumlrde [1][6][8]

BPSK aumlr en fasmodulationsteknik som baserar sig paring att fasen antingen aumlr 0 grader

eller fasvriden 180 grader Den ena fasen representerar logisk nolla och den andra

logisk etta

QPSK aumlr en fasmodulationsteknik som fasvridits 090180270 grader Detta fungerar

paring samma saumltt som BPSK fast tekniken anvaumlnder sig av yttligare tvaring faser Vilket goumlr

att det garingr att skicka mer information under samma tid Detta innebaumlr att man faringr fyra

punkter daumlr man kan laumlsa av signalen som i sin tur representerar tvaring bitar Vaumlrdet beror

paring i vilken kvadrant fasen ligger i se figur 22

Figur 22 Konstellations diagram oumlver QPSK med graykod

8-PSK

Fasfoumlrskjutning med aringtta olika vaumlrden

16-PSK

Fasfoumlrskjutning med sexton olika vaumlrden

5

3 Genomfoumlrande

31 Komponenter

Mixer

Mixern aumlr en treports komponent som aumlr viktig paring flera saumltt inom de olika

modulationstekninkerna Den anvaumlnds till exempel till om man vill flytta en signal fraringn en

viss frekvens till en annan Detta kan man goumlra daring mixerns utsignal huvudsakligen bestaringr av

tvaring nya frekvenser som aumlr summan och differensen av dess tvaring insignaler daring tillkommer aumlven

en viss del oumlvertoner av dess insignaler Sedan kan man enkelt vaumllja vilken signal man vill ha

genom filtrering [2]

Spaumlnningsregulator

En spaumlnningsregulator aumlr en krets som anvaumlnds foumlr att reglera en spaumlnning till ett oumlnskat vaumlrde

Aumlven om spaumlnningen in till regulatorn skulle variera faringr den ett fixerat vaumlrde ut som bestaumlms

av dimensioneringen av motstaringnden i Figur 32 [17]

Polinverterare

Foumlr att faring ut varingr negativa matning till varingra operationsfoumlrstaumlrkare anvaumlnder vi oss av en krets

som heter LTC7660 Med hjaumllp av tvaring stycken kondensatorer som sitter i anslutning med

polinverteraren garingr det att faring ut den inverterade matningsspaumlnning [19]

6

Operationsfoumlrstaumlrkare

En operationsfoumlrstaumlrkare har maringnga anvaumlndningsomraringden Den garingr att koppla ihop med filter

saring att filter och foumlrstaumlrkning kan kombineras Den kan kopplas som allpassfilter vilken slaumlpper

igenom alla frekvenser och kan fasfoumlrskjuta signalen i ett bestaumlmt antal grader

Vid valet av vilken operationsfoumlrstaumlrkare som skall anvaumlndas var vi tvungna att ta haumlnsyn till

att den maringste klara av att arbeta med varingra oumlnskade frekvenser Foumlr att vara saumlkra paring detta

valde vi att ha en saumlkerhetsmarginal med en faktor tio Det innebaumlr att eftersom vi inte arbetar

med frekvenser oumlver 10 MHz innebaumlr detta att operationsfoumlrstaumlrkaren behoumlver klara att arbeta

vid en frekvens paring 100MHz Valet foumlll daring paring LM6172 som dessutom inneharingller tvaring stycken

se figur 24 [3]

Figur 24 Operationsfoumlrstaumlrkaren LM6172

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

III

Summary

In todayrsquos vehicle industry the demand of electronics devices that can communicate with

each other is increasing The increasing demand of electronics is due to more and more

automatic control systems This leads to an increase in the amount of information needed to

be sent and the speed of the information needs to increase which in turn leads to that the

amount of cables must also increase An increase of cables is undesirable

To show this problem we intend to construct a communications system that sends all it is

information on the existing dc-powered distribution grid With this solution the amount of

cables needed will reduce

Our system will be based on BPSKQPSK technology and our focus will be on doing as much

as possible with only hardware as we will not discuss any software in this project

IV

Inneharingllsfoumlrteckning 1 Inledning 1

11 Bakgrund 1

12 Syfte 1

13 Maringl 1

14 Avgraumlnsningar 1

15 Precisering av fraringgestaumlllningen 1

2 Teknisk bakgrund 2

21 Projektkurs 2

22 Yamar 3

23 Modulationstekniker 3

3 Genomfoumlrande 5

31 Komponenter 5

32 Program 7

33 Modulering 8

34 Demodulering 14

4 Resultat amp Analys 17

41 Diskussion 18

411 Planering 18

412 Oscillatorerna 18

413 Simuleringsprogram 18

414 Kritisk diskussion 18

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter 19

V

Ordlista

CAN ndash Controller Area Network

LIN ndash Local Interconnect Network

ASK ndash Amplitude Shift Keying

FSK ndash Frequency Shift Keying

PSK ndash Phase Shift Keying

BPSK - Binary Phase Shift Keying

QPSK - Quadrature Phase Shift Keying

VCO - Voltage Controlled Oscillator

PLL - Phase Looked Loop

Op-amp - Operation amplifier

LP-filter - Laringgpass filter

HP-filter - Houmlgpass filter

BP-filter - Bandpass filter

I-data - Jaumlmna bitar i varingr data

Q-data - Udda bitar i varingr data

PIC - Peripheral Interface Controller

1

1 Inledning

Inom fordonsindustrin oumlkar antalet elektronikenheter som behoumlver kommunicera med

varandra Detta leder till ett behov av fler kablar och stoumlrre kabelmattor vilket oumlkar kostnaden

och foumlrsvaringrar montering Rapporten handlar om tekniker som kan oumlverfoumlra kommunikationen

oumlver fordonets elnaumlt och paring saring vis spara kablar och minskar kabelmattor

11 Bakgrund

I dagens fordonsbransch har det boumlrjat uppstaring ett behov av en alternativ loumlsning foumlr

kommunikation Detta aumlr paring grund av den vaumlxande maumlngden funktioner och enheter som

behoumlver kommunicera med varandra och aumlven kraumlver ett oumlkat antalet kablar

Det aumlr daumlrfoumlr intressant att undersoumlka alternativa kommunikationsmetoder framfoumlr allt

metoder som inte behoumlver ett eget kommunikationsnaumlt av kablar Tanken aumlr att CAN- och

LIN-naumltverken skall ersaumlttas med en alternativ metod vilken oumlverfoumlr informationen oumlver

elnaumltet i fordonet

12 Syfte

Varingrt syfte aumlr att ta fram en teknik som kan kommunicera oumlver det befintliga dc-matade elnaumltet

i ett fordon Detta foumlr att kunna ersaumltta dagens CAN- och LIN-naumltverk i dagens fordon och paring

saring saumltt dra ned paring maumlngden kablage

13 Maringl

Varingrt maringl aumlr att med hjaumllp av BPSK alternativt QPSK teknik ta fram en modul som kan

kommunicera oumlver en dc-matad kabel Detta skall ske med en dataoumlverfoumlringshastighet av

minst 05Mbits

14 Avgraumlnsningar

Projektet kommer inte att beroumlra hur ett eventuellt kommunikationsprotokoll kommer att se ut

foumlr saumlndning och mottagning av data

Vi kommer heller inte att behandla det grafiska interfacet vilket kommer att behoumlvas foumlr att

implementera uppdateringar etc Beslut gaumlllande vilken typ av mikroprocessor som kommer

att anvaumlndas goumlrs ej av oss utan istaumlllet av en mjukvaru-grupp som vi samarbetar med

15 Precisering av fraringgestaumlllningen

Fraringgestaumlllningar som behandlas i rapporten

Vilken typ av modulering aumlr vaumlrd att undersoumlka

Vilken hastighet kommer tekniken att klara av

Garingr det att spaumlnningsmata alla komponenter med hjaumllpa av det befintliga elnaumltet

Aumlr tekniken full-duplex kompatibel

Aumlr tekniken implementerbar i fordon

2

2 Teknisk bakgrund

21 Projektkurs

Innan arbetet paringboumlrjades laumlste vi en projektkurs paring 8 veckor daumlr vi skulle konstruera ett

system med envaumlgskommunikation detta skulle kommunicera oumlver ett dc-matad likstroumlmsnaumlt

Projektet var ett saring kallat proof of concept som skulle undersoumlka om det aumlr moumljligt att

kommunicera oumlver ett dc-matat elnaumlt I projektet anvaumlndes tvaring loumlsningar en digital och en

analog I den digitala loumlsningen anvaumlndes bara tvaring stycken Arduino som kommunicerade med

varandra Med denna loumlsning blev det dock mycket bitfel daring vi testade denna loumlsning paring en

spaumlnningsmatad kabel Saring vi beslutade oss foumlr att utveckla den analoga loumlsningen istaumlllet

I den analoga loumlsningen anvaumlnde vi tvaring olika frekvenser som representerade noll eller ett

Dessa frekvenser skapades med tvaring fasskiftoscillatorer som vi sjaumllva konstruerade

Vilken frekvens som skickades ut paring bussen bestaumlmdes med en mux vilken kontrollerades av

en Arduino Mottagarsidan bestod av tvaring bandpassfilter dessa slaumlppte igenom de tvaring

frekvenserna Daumlrefter likriktades signalerna och jaumlmfoumlrdes i en komparator vilken sedan

laumlstes av en annan Arduino Signalseparatorerna anvaumlndes foumlr att separera ut ac-signalen [20]

Kommunikationssystemet kom upp i en hastighet paring 5k bits och oumlver daring tillkom det

stoumlrningar som orsakade bitfel Figur 21 visar en ritning paring hur systemet saringg ut i

projektkursen

Figur 21 Ritning paring analoga loumlsningen fraringn projektkurs

3

22 Yamar

Det finns foumlr naumlrvarande endast naringgra faring faumlrdiga loumlsningar paring marknaden som aumlr gjorda foumlr

kommunikation oumlver dc-elnaumlt i bilar

Vi har haft moumljligheten att undersoumlka en produkt fraringn ett israeliskt foumlretag Yamar Detta

foumlretag saumlgs ha utvecklat ett fullt fungerande system foumlr kommunikation oumlver likstroumlmselnaumlt

De moduler vi fick studera naumlrmare var DCB1M evaluation board i kombination med

DCB1M USB PC interface Paring modulerna gick det att staumllla in beroende paring om BPSK eller

QPSK skulle anvaumlndas och aumlven vilken oumlverfoumlringshastighet Naumlr vi testade BPSK foumlrsvann

det inte maringnga bitar men naumlr vi staumlllde in den paring att koumlra QPSK i maximal

oumlverfoumlringshastighet saring foumlrsvann upp till 40-60 av bitarna Vilket inte aumlr stabilt framfoumlr

allt daring den spaumlnningsmatadekabeln mellan modulerna inte var laumlngre aumln en meter och

informationen mellan modul och PC anvaumlnde sig USB Det kom alltid fram raumltt bitvaumlrden saring

foumlrmodligen har de loumlst de foumlrsvunna bitarna genom felkorrigering i oumlverfoumlringsprotokollet

Detta test gjordes med ett spaumlnningsaggregat som matade modulerna och aumlven spaumlnningssatte

kabeln Kabelns laumlngd mellan modulerna var fem meter Modulerna aumlr isolerade av ett

plasthoumllje [11]

23 Modulationstekniker

Modulation innebaumlr oumlverlagrad information paring en baumlrvaringg vilken aumlr skickad fraringn en saumlndare

[1][6]

AM Amplitudmodulation(ASK)

Amplitudmodulation innebaumlr en foumlraumlndring av amplitudnivaringn paring saumlndarensbaumlrvaringgsignal

Genom en modulation av amplitudnivaringn garingr det att oumlverfoumlra information med signalen En

houmlg amplitud motsvarar ett houmlgt vaumlrde och en laringg amplitud innebaumlr att signalen har ett laringgt

Genom denna amplitudfoumlraumlnding mellan houmlg och laringg amplitud garingr det att oumlverfoumlra

information med hjaumllp av amplitudmodulation Det finns maringnga olika tekniker som utnyttjar

detta inom bland annat radiokommunikation[1]

FM Frekvensmodulation(FSK)

Istaumlllet foumlr att aumlndra amplituden paring baumlrvaringgen saring varierar frekvensen Genom att anvaumlnda en

bestaumlmd frekvens och variera den upp och ner garingr det att skicka information [1]

4

PM Fasmodulation(PSK)

Detta innebaumlr att signalens fas aumlndras foumlr att representera olika vaumlrden vilket medfoumlr att

amplituden blir konstant Beroende paring hur mycket fasen aumlr vriden representerar fasen ett houmlgt

eller laringgt vaumlrde [1][6][8]

BPSK aumlr en fasmodulationsteknik som baserar sig paring att fasen antingen aumlr 0 grader

eller fasvriden 180 grader Den ena fasen representerar logisk nolla och den andra

logisk etta

QPSK aumlr en fasmodulationsteknik som fasvridits 090180270 grader Detta fungerar

paring samma saumltt som BPSK fast tekniken anvaumlnder sig av yttligare tvaring faser Vilket goumlr

att det garingr att skicka mer information under samma tid Detta innebaumlr att man faringr fyra

punkter daumlr man kan laumlsa av signalen som i sin tur representerar tvaring bitar Vaumlrdet beror

paring i vilken kvadrant fasen ligger i se figur 22

Figur 22 Konstellations diagram oumlver QPSK med graykod

8-PSK

Fasfoumlrskjutning med aringtta olika vaumlrden

16-PSK

Fasfoumlrskjutning med sexton olika vaumlrden

5

3 Genomfoumlrande

31 Komponenter

Mixer

Mixern aumlr en treports komponent som aumlr viktig paring flera saumltt inom de olika

modulationstekninkerna Den anvaumlnds till exempel till om man vill flytta en signal fraringn en

viss frekvens till en annan Detta kan man goumlra daring mixerns utsignal huvudsakligen bestaringr av

tvaring nya frekvenser som aumlr summan och differensen av dess tvaring insignaler daring tillkommer aumlven

en viss del oumlvertoner av dess insignaler Sedan kan man enkelt vaumllja vilken signal man vill ha

genom filtrering [2]

Spaumlnningsregulator

En spaumlnningsregulator aumlr en krets som anvaumlnds foumlr att reglera en spaumlnning till ett oumlnskat vaumlrde

Aumlven om spaumlnningen in till regulatorn skulle variera faringr den ett fixerat vaumlrde ut som bestaumlms

av dimensioneringen av motstaringnden i Figur 32 [17]

Polinverterare

Foumlr att faring ut varingr negativa matning till varingra operationsfoumlrstaumlrkare anvaumlnder vi oss av en krets

som heter LTC7660 Med hjaumllp av tvaring stycken kondensatorer som sitter i anslutning med

polinverteraren garingr det att faring ut den inverterade matningsspaumlnning [19]

6

Operationsfoumlrstaumlrkare

En operationsfoumlrstaumlrkare har maringnga anvaumlndningsomraringden Den garingr att koppla ihop med filter

saring att filter och foumlrstaumlrkning kan kombineras Den kan kopplas som allpassfilter vilken slaumlpper

igenom alla frekvenser och kan fasfoumlrskjuta signalen i ett bestaumlmt antal grader

Vid valet av vilken operationsfoumlrstaumlrkare som skall anvaumlndas var vi tvungna att ta haumlnsyn till

att den maringste klara av att arbeta med varingra oumlnskade frekvenser Foumlr att vara saumlkra paring detta

valde vi att ha en saumlkerhetsmarginal med en faktor tio Det innebaumlr att eftersom vi inte arbetar

med frekvenser oumlver 10 MHz innebaumlr detta att operationsfoumlrstaumlrkaren behoumlver klara att arbeta

vid en frekvens paring 100MHz Valet foumlll daring paring LM6172 som dessutom inneharingller tvaring stycken

se figur 24 [3]

Figur 24 Operationsfoumlrstaumlrkaren LM6172

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

IV

Inneharingllsfoumlrteckning 1 Inledning 1

11 Bakgrund 1

12 Syfte 1

13 Maringl 1

14 Avgraumlnsningar 1

15 Precisering av fraringgestaumlllningen 1

2 Teknisk bakgrund 2

21 Projektkurs 2

22 Yamar 3

23 Modulationstekniker 3

3 Genomfoumlrande 5

31 Komponenter 5

32 Program 7

33 Modulering 8

34 Demodulering 14

4 Resultat amp Analys 17

41 Diskussion 18

411 Planering 18

412 Oscillatorerna 18

413 Simuleringsprogram 18

414 Kritisk diskussion 18

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter 19

V

Ordlista

CAN ndash Controller Area Network

LIN ndash Local Interconnect Network

ASK ndash Amplitude Shift Keying

FSK ndash Frequency Shift Keying

PSK ndash Phase Shift Keying

BPSK - Binary Phase Shift Keying

QPSK - Quadrature Phase Shift Keying

VCO - Voltage Controlled Oscillator

PLL - Phase Looked Loop

Op-amp - Operation amplifier

LP-filter - Laringgpass filter

HP-filter - Houmlgpass filter

BP-filter - Bandpass filter

I-data - Jaumlmna bitar i varingr data

Q-data - Udda bitar i varingr data

PIC - Peripheral Interface Controller

1

1 Inledning

Inom fordonsindustrin oumlkar antalet elektronikenheter som behoumlver kommunicera med

varandra Detta leder till ett behov av fler kablar och stoumlrre kabelmattor vilket oumlkar kostnaden

och foumlrsvaringrar montering Rapporten handlar om tekniker som kan oumlverfoumlra kommunikationen

oumlver fordonets elnaumlt och paring saring vis spara kablar och minskar kabelmattor

11 Bakgrund

I dagens fordonsbransch har det boumlrjat uppstaring ett behov av en alternativ loumlsning foumlr

kommunikation Detta aumlr paring grund av den vaumlxande maumlngden funktioner och enheter som

behoumlver kommunicera med varandra och aumlven kraumlver ett oumlkat antalet kablar

Det aumlr daumlrfoumlr intressant att undersoumlka alternativa kommunikationsmetoder framfoumlr allt

metoder som inte behoumlver ett eget kommunikationsnaumlt av kablar Tanken aumlr att CAN- och

LIN-naumltverken skall ersaumlttas med en alternativ metod vilken oumlverfoumlr informationen oumlver

elnaumltet i fordonet

12 Syfte

Varingrt syfte aumlr att ta fram en teknik som kan kommunicera oumlver det befintliga dc-matade elnaumltet

i ett fordon Detta foumlr att kunna ersaumltta dagens CAN- och LIN-naumltverk i dagens fordon och paring

saring saumltt dra ned paring maumlngden kablage

13 Maringl

Varingrt maringl aumlr att med hjaumllp av BPSK alternativt QPSK teknik ta fram en modul som kan

kommunicera oumlver en dc-matad kabel Detta skall ske med en dataoumlverfoumlringshastighet av

minst 05Mbits

14 Avgraumlnsningar

Projektet kommer inte att beroumlra hur ett eventuellt kommunikationsprotokoll kommer att se ut

foumlr saumlndning och mottagning av data

Vi kommer heller inte att behandla det grafiska interfacet vilket kommer att behoumlvas foumlr att

implementera uppdateringar etc Beslut gaumlllande vilken typ av mikroprocessor som kommer

att anvaumlndas goumlrs ej av oss utan istaumlllet av en mjukvaru-grupp som vi samarbetar med

15 Precisering av fraringgestaumlllningen

Fraringgestaumlllningar som behandlas i rapporten

Vilken typ av modulering aumlr vaumlrd att undersoumlka

Vilken hastighet kommer tekniken att klara av

Garingr det att spaumlnningsmata alla komponenter med hjaumllpa av det befintliga elnaumltet

Aumlr tekniken full-duplex kompatibel

Aumlr tekniken implementerbar i fordon

2

2 Teknisk bakgrund

21 Projektkurs

Innan arbetet paringboumlrjades laumlste vi en projektkurs paring 8 veckor daumlr vi skulle konstruera ett

system med envaumlgskommunikation detta skulle kommunicera oumlver ett dc-matad likstroumlmsnaumlt

Projektet var ett saring kallat proof of concept som skulle undersoumlka om det aumlr moumljligt att

kommunicera oumlver ett dc-matat elnaumlt I projektet anvaumlndes tvaring loumlsningar en digital och en

analog I den digitala loumlsningen anvaumlndes bara tvaring stycken Arduino som kommunicerade med

varandra Med denna loumlsning blev det dock mycket bitfel daring vi testade denna loumlsning paring en

spaumlnningsmatad kabel Saring vi beslutade oss foumlr att utveckla den analoga loumlsningen istaumlllet

I den analoga loumlsningen anvaumlnde vi tvaring olika frekvenser som representerade noll eller ett

Dessa frekvenser skapades med tvaring fasskiftoscillatorer som vi sjaumllva konstruerade

Vilken frekvens som skickades ut paring bussen bestaumlmdes med en mux vilken kontrollerades av

en Arduino Mottagarsidan bestod av tvaring bandpassfilter dessa slaumlppte igenom de tvaring

frekvenserna Daumlrefter likriktades signalerna och jaumlmfoumlrdes i en komparator vilken sedan

laumlstes av en annan Arduino Signalseparatorerna anvaumlndes foumlr att separera ut ac-signalen [20]

Kommunikationssystemet kom upp i en hastighet paring 5k bits och oumlver daring tillkom det

stoumlrningar som orsakade bitfel Figur 21 visar en ritning paring hur systemet saringg ut i

projektkursen

Figur 21 Ritning paring analoga loumlsningen fraringn projektkurs

3

22 Yamar

Det finns foumlr naumlrvarande endast naringgra faring faumlrdiga loumlsningar paring marknaden som aumlr gjorda foumlr

kommunikation oumlver dc-elnaumlt i bilar

Vi har haft moumljligheten att undersoumlka en produkt fraringn ett israeliskt foumlretag Yamar Detta

foumlretag saumlgs ha utvecklat ett fullt fungerande system foumlr kommunikation oumlver likstroumlmselnaumlt

De moduler vi fick studera naumlrmare var DCB1M evaluation board i kombination med

DCB1M USB PC interface Paring modulerna gick det att staumllla in beroende paring om BPSK eller

QPSK skulle anvaumlndas och aumlven vilken oumlverfoumlringshastighet Naumlr vi testade BPSK foumlrsvann

det inte maringnga bitar men naumlr vi staumlllde in den paring att koumlra QPSK i maximal

oumlverfoumlringshastighet saring foumlrsvann upp till 40-60 av bitarna Vilket inte aumlr stabilt framfoumlr

allt daring den spaumlnningsmatadekabeln mellan modulerna inte var laumlngre aumln en meter och

informationen mellan modul och PC anvaumlnde sig USB Det kom alltid fram raumltt bitvaumlrden saring

foumlrmodligen har de loumlst de foumlrsvunna bitarna genom felkorrigering i oumlverfoumlringsprotokollet

Detta test gjordes med ett spaumlnningsaggregat som matade modulerna och aumlven spaumlnningssatte

kabeln Kabelns laumlngd mellan modulerna var fem meter Modulerna aumlr isolerade av ett

plasthoumllje [11]

23 Modulationstekniker

Modulation innebaumlr oumlverlagrad information paring en baumlrvaringg vilken aumlr skickad fraringn en saumlndare

[1][6]

AM Amplitudmodulation(ASK)

Amplitudmodulation innebaumlr en foumlraumlndring av amplitudnivaringn paring saumlndarensbaumlrvaringgsignal

Genom en modulation av amplitudnivaringn garingr det att oumlverfoumlra information med signalen En

houmlg amplitud motsvarar ett houmlgt vaumlrde och en laringg amplitud innebaumlr att signalen har ett laringgt

Genom denna amplitudfoumlraumlnding mellan houmlg och laringg amplitud garingr det att oumlverfoumlra

information med hjaumllp av amplitudmodulation Det finns maringnga olika tekniker som utnyttjar

detta inom bland annat radiokommunikation[1]

FM Frekvensmodulation(FSK)

Istaumlllet foumlr att aumlndra amplituden paring baumlrvaringgen saring varierar frekvensen Genom att anvaumlnda en

bestaumlmd frekvens och variera den upp och ner garingr det att skicka information [1]

4

PM Fasmodulation(PSK)

Detta innebaumlr att signalens fas aumlndras foumlr att representera olika vaumlrden vilket medfoumlr att

amplituden blir konstant Beroende paring hur mycket fasen aumlr vriden representerar fasen ett houmlgt

eller laringgt vaumlrde [1][6][8]

BPSK aumlr en fasmodulationsteknik som baserar sig paring att fasen antingen aumlr 0 grader

eller fasvriden 180 grader Den ena fasen representerar logisk nolla och den andra

logisk etta

QPSK aumlr en fasmodulationsteknik som fasvridits 090180270 grader Detta fungerar

paring samma saumltt som BPSK fast tekniken anvaumlnder sig av yttligare tvaring faser Vilket goumlr

att det garingr att skicka mer information under samma tid Detta innebaumlr att man faringr fyra

punkter daumlr man kan laumlsa av signalen som i sin tur representerar tvaring bitar Vaumlrdet beror

paring i vilken kvadrant fasen ligger i se figur 22

Figur 22 Konstellations diagram oumlver QPSK med graykod

8-PSK

Fasfoumlrskjutning med aringtta olika vaumlrden

16-PSK

Fasfoumlrskjutning med sexton olika vaumlrden

5

3 Genomfoumlrande

31 Komponenter

Mixer

Mixern aumlr en treports komponent som aumlr viktig paring flera saumltt inom de olika

modulationstekninkerna Den anvaumlnds till exempel till om man vill flytta en signal fraringn en

viss frekvens till en annan Detta kan man goumlra daring mixerns utsignal huvudsakligen bestaringr av

tvaring nya frekvenser som aumlr summan och differensen av dess tvaring insignaler daring tillkommer aumlven

en viss del oumlvertoner av dess insignaler Sedan kan man enkelt vaumllja vilken signal man vill ha

genom filtrering [2]

Spaumlnningsregulator

En spaumlnningsregulator aumlr en krets som anvaumlnds foumlr att reglera en spaumlnning till ett oumlnskat vaumlrde

Aumlven om spaumlnningen in till regulatorn skulle variera faringr den ett fixerat vaumlrde ut som bestaumlms

av dimensioneringen av motstaringnden i Figur 32 [17]

Polinverterare

Foumlr att faring ut varingr negativa matning till varingra operationsfoumlrstaumlrkare anvaumlnder vi oss av en krets

som heter LTC7660 Med hjaumllp av tvaring stycken kondensatorer som sitter i anslutning med

polinverteraren garingr det att faring ut den inverterade matningsspaumlnning [19]

6

Operationsfoumlrstaumlrkare

En operationsfoumlrstaumlrkare har maringnga anvaumlndningsomraringden Den garingr att koppla ihop med filter

saring att filter och foumlrstaumlrkning kan kombineras Den kan kopplas som allpassfilter vilken slaumlpper

igenom alla frekvenser och kan fasfoumlrskjuta signalen i ett bestaumlmt antal grader

Vid valet av vilken operationsfoumlrstaumlrkare som skall anvaumlndas var vi tvungna att ta haumlnsyn till

att den maringste klara av att arbeta med varingra oumlnskade frekvenser Foumlr att vara saumlkra paring detta

valde vi att ha en saumlkerhetsmarginal med en faktor tio Det innebaumlr att eftersom vi inte arbetar

med frekvenser oumlver 10 MHz innebaumlr detta att operationsfoumlrstaumlrkaren behoumlver klara att arbeta

vid en frekvens paring 100MHz Valet foumlll daring paring LM6172 som dessutom inneharingller tvaring stycken

se figur 24 [3]

Figur 24 Operationsfoumlrstaumlrkaren LM6172

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

V

Ordlista

CAN ndash Controller Area Network

LIN ndash Local Interconnect Network

ASK ndash Amplitude Shift Keying

FSK ndash Frequency Shift Keying

PSK ndash Phase Shift Keying

BPSK - Binary Phase Shift Keying

QPSK - Quadrature Phase Shift Keying

VCO - Voltage Controlled Oscillator

PLL - Phase Looked Loop

Op-amp - Operation amplifier

LP-filter - Laringgpass filter

HP-filter - Houmlgpass filter

BP-filter - Bandpass filter

I-data - Jaumlmna bitar i varingr data

Q-data - Udda bitar i varingr data

PIC - Peripheral Interface Controller

1

1 Inledning

Inom fordonsindustrin oumlkar antalet elektronikenheter som behoumlver kommunicera med

varandra Detta leder till ett behov av fler kablar och stoumlrre kabelmattor vilket oumlkar kostnaden

och foumlrsvaringrar montering Rapporten handlar om tekniker som kan oumlverfoumlra kommunikationen

oumlver fordonets elnaumlt och paring saring vis spara kablar och minskar kabelmattor

11 Bakgrund

I dagens fordonsbransch har det boumlrjat uppstaring ett behov av en alternativ loumlsning foumlr

kommunikation Detta aumlr paring grund av den vaumlxande maumlngden funktioner och enheter som

behoumlver kommunicera med varandra och aumlven kraumlver ett oumlkat antalet kablar

Det aumlr daumlrfoumlr intressant att undersoumlka alternativa kommunikationsmetoder framfoumlr allt

metoder som inte behoumlver ett eget kommunikationsnaumlt av kablar Tanken aumlr att CAN- och

LIN-naumltverken skall ersaumlttas med en alternativ metod vilken oumlverfoumlr informationen oumlver

elnaumltet i fordonet

12 Syfte

Varingrt syfte aumlr att ta fram en teknik som kan kommunicera oumlver det befintliga dc-matade elnaumltet

i ett fordon Detta foumlr att kunna ersaumltta dagens CAN- och LIN-naumltverk i dagens fordon och paring

saring saumltt dra ned paring maumlngden kablage

13 Maringl

Varingrt maringl aumlr att med hjaumllp av BPSK alternativt QPSK teknik ta fram en modul som kan

kommunicera oumlver en dc-matad kabel Detta skall ske med en dataoumlverfoumlringshastighet av

minst 05Mbits

14 Avgraumlnsningar

Projektet kommer inte att beroumlra hur ett eventuellt kommunikationsprotokoll kommer att se ut

foumlr saumlndning och mottagning av data

Vi kommer heller inte att behandla det grafiska interfacet vilket kommer att behoumlvas foumlr att

implementera uppdateringar etc Beslut gaumlllande vilken typ av mikroprocessor som kommer

att anvaumlndas goumlrs ej av oss utan istaumlllet av en mjukvaru-grupp som vi samarbetar med

15 Precisering av fraringgestaumlllningen

Fraringgestaumlllningar som behandlas i rapporten

Vilken typ av modulering aumlr vaumlrd att undersoumlka

Vilken hastighet kommer tekniken att klara av

Garingr det att spaumlnningsmata alla komponenter med hjaumllpa av det befintliga elnaumltet

Aumlr tekniken full-duplex kompatibel

Aumlr tekniken implementerbar i fordon

2

2 Teknisk bakgrund

21 Projektkurs

Innan arbetet paringboumlrjades laumlste vi en projektkurs paring 8 veckor daumlr vi skulle konstruera ett

system med envaumlgskommunikation detta skulle kommunicera oumlver ett dc-matad likstroumlmsnaumlt

Projektet var ett saring kallat proof of concept som skulle undersoumlka om det aumlr moumljligt att

kommunicera oumlver ett dc-matat elnaumlt I projektet anvaumlndes tvaring loumlsningar en digital och en

analog I den digitala loumlsningen anvaumlndes bara tvaring stycken Arduino som kommunicerade med

varandra Med denna loumlsning blev det dock mycket bitfel daring vi testade denna loumlsning paring en

spaumlnningsmatad kabel Saring vi beslutade oss foumlr att utveckla den analoga loumlsningen istaumlllet

I den analoga loumlsningen anvaumlnde vi tvaring olika frekvenser som representerade noll eller ett

Dessa frekvenser skapades med tvaring fasskiftoscillatorer som vi sjaumllva konstruerade

Vilken frekvens som skickades ut paring bussen bestaumlmdes med en mux vilken kontrollerades av

en Arduino Mottagarsidan bestod av tvaring bandpassfilter dessa slaumlppte igenom de tvaring

frekvenserna Daumlrefter likriktades signalerna och jaumlmfoumlrdes i en komparator vilken sedan

laumlstes av en annan Arduino Signalseparatorerna anvaumlndes foumlr att separera ut ac-signalen [20]

Kommunikationssystemet kom upp i en hastighet paring 5k bits och oumlver daring tillkom det

stoumlrningar som orsakade bitfel Figur 21 visar en ritning paring hur systemet saringg ut i

projektkursen

Figur 21 Ritning paring analoga loumlsningen fraringn projektkurs

3

22 Yamar

Det finns foumlr naumlrvarande endast naringgra faring faumlrdiga loumlsningar paring marknaden som aumlr gjorda foumlr

kommunikation oumlver dc-elnaumlt i bilar

Vi har haft moumljligheten att undersoumlka en produkt fraringn ett israeliskt foumlretag Yamar Detta

foumlretag saumlgs ha utvecklat ett fullt fungerande system foumlr kommunikation oumlver likstroumlmselnaumlt

De moduler vi fick studera naumlrmare var DCB1M evaluation board i kombination med

DCB1M USB PC interface Paring modulerna gick det att staumllla in beroende paring om BPSK eller

QPSK skulle anvaumlndas och aumlven vilken oumlverfoumlringshastighet Naumlr vi testade BPSK foumlrsvann

det inte maringnga bitar men naumlr vi staumlllde in den paring att koumlra QPSK i maximal

oumlverfoumlringshastighet saring foumlrsvann upp till 40-60 av bitarna Vilket inte aumlr stabilt framfoumlr

allt daring den spaumlnningsmatadekabeln mellan modulerna inte var laumlngre aumln en meter och

informationen mellan modul och PC anvaumlnde sig USB Det kom alltid fram raumltt bitvaumlrden saring

foumlrmodligen har de loumlst de foumlrsvunna bitarna genom felkorrigering i oumlverfoumlringsprotokollet

Detta test gjordes med ett spaumlnningsaggregat som matade modulerna och aumlven spaumlnningssatte

kabeln Kabelns laumlngd mellan modulerna var fem meter Modulerna aumlr isolerade av ett

plasthoumllje [11]

23 Modulationstekniker

Modulation innebaumlr oumlverlagrad information paring en baumlrvaringg vilken aumlr skickad fraringn en saumlndare

[1][6]

AM Amplitudmodulation(ASK)

Amplitudmodulation innebaumlr en foumlraumlndring av amplitudnivaringn paring saumlndarensbaumlrvaringgsignal

Genom en modulation av amplitudnivaringn garingr det att oumlverfoumlra information med signalen En

houmlg amplitud motsvarar ett houmlgt vaumlrde och en laringg amplitud innebaumlr att signalen har ett laringgt

Genom denna amplitudfoumlraumlnding mellan houmlg och laringg amplitud garingr det att oumlverfoumlra

information med hjaumllp av amplitudmodulation Det finns maringnga olika tekniker som utnyttjar

detta inom bland annat radiokommunikation[1]

FM Frekvensmodulation(FSK)

Istaumlllet foumlr att aumlndra amplituden paring baumlrvaringgen saring varierar frekvensen Genom att anvaumlnda en

bestaumlmd frekvens och variera den upp och ner garingr det att skicka information [1]

4

PM Fasmodulation(PSK)

Detta innebaumlr att signalens fas aumlndras foumlr att representera olika vaumlrden vilket medfoumlr att

amplituden blir konstant Beroende paring hur mycket fasen aumlr vriden representerar fasen ett houmlgt

eller laringgt vaumlrde [1][6][8]

BPSK aumlr en fasmodulationsteknik som baserar sig paring att fasen antingen aumlr 0 grader

eller fasvriden 180 grader Den ena fasen representerar logisk nolla och den andra

logisk etta

QPSK aumlr en fasmodulationsteknik som fasvridits 090180270 grader Detta fungerar

paring samma saumltt som BPSK fast tekniken anvaumlnder sig av yttligare tvaring faser Vilket goumlr

att det garingr att skicka mer information under samma tid Detta innebaumlr att man faringr fyra

punkter daumlr man kan laumlsa av signalen som i sin tur representerar tvaring bitar Vaumlrdet beror

paring i vilken kvadrant fasen ligger i se figur 22

Figur 22 Konstellations diagram oumlver QPSK med graykod

8-PSK

Fasfoumlrskjutning med aringtta olika vaumlrden

16-PSK

Fasfoumlrskjutning med sexton olika vaumlrden

5

3 Genomfoumlrande

31 Komponenter

Mixer

Mixern aumlr en treports komponent som aumlr viktig paring flera saumltt inom de olika

modulationstekninkerna Den anvaumlnds till exempel till om man vill flytta en signal fraringn en

viss frekvens till en annan Detta kan man goumlra daring mixerns utsignal huvudsakligen bestaringr av

tvaring nya frekvenser som aumlr summan och differensen av dess tvaring insignaler daring tillkommer aumlven

en viss del oumlvertoner av dess insignaler Sedan kan man enkelt vaumllja vilken signal man vill ha

genom filtrering [2]

Spaumlnningsregulator

En spaumlnningsregulator aumlr en krets som anvaumlnds foumlr att reglera en spaumlnning till ett oumlnskat vaumlrde

Aumlven om spaumlnningen in till regulatorn skulle variera faringr den ett fixerat vaumlrde ut som bestaumlms

av dimensioneringen av motstaringnden i Figur 32 [17]

Polinverterare

Foumlr att faring ut varingr negativa matning till varingra operationsfoumlrstaumlrkare anvaumlnder vi oss av en krets

som heter LTC7660 Med hjaumllp av tvaring stycken kondensatorer som sitter i anslutning med

polinverteraren garingr det att faring ut den inverterade matningsspaumlnning [19]

6

Operationsfoumlrstaumlrkare

En operationsfoumlrstaumlrkare har maringnga anvaumlndningsomraringden Den garingr att koppla ihop med filter

saring att filter och foumlrstaumlrkning kan kombineras Den kan kopplas som allpassfilter vilken slaumlpper

igenom alla frekvenser och kan fasfoumlrskjuta signalen i ett bestaumlmt antal grader

Vid valet av vilken operationsfoumlrstaumlrkare som skall anvaumlndas var vi tvungna att ta haumlnsyn till

att den maringste klara av att arbeta med varingra oumlnskade frekvenser Foumlr att vara saumlkra paring detta

valde vi att ha en saumlkerhetsmarginal med en faktor tio Det innebaumlr att eftersom vi inte arbetar

med frekvenser oumlver 10 MHz innebaumlr detta att operationsfoumlrstaumlrkaren behoumlver klara att arbeta

vid en frekvens paring 100MHz Valet foumlll daring paring LM6172 som dessutom inneharingller tvaring stycken

se figur 24 [3]

Figur 24 Operationsfoumlrstaumlrkaren LM6172

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

1

1 Inledning

Inom fordonsindustrin oumlkar antalet elektronikenheter som behoumlver kommunicera med

varandra Detta leder till ett behov av fler kablar och stoumlrre kabelmattor vilket oumlkar kostnaden

och foumlrsvaringrar montering Rapporten handlar om tekniker som kan oumlverfoumlra kommunikationen

oumlver fordonets elnaumlt och paring saring vis spara kablar och minskar kabelmattor

11 Bakgrund

I dagens fordonsbransch har det boumlrjat uppstaring ett behov av en alternativ loumlsning foumlr

kommunikation Detta aumlr paring grund av den vaumlxande maumlngden funktioner och enheter som

behoumlver kommunicera med varandra och aumlven kraumlver ett oumlkat antalet kablar

Det aumlr daumlrfoumlr intressant att undersoumlka alternativa kommunikationsmetoder framfoumlr allt

metoder som inte behoumlver ett eget kommunikationsnaumlt av kablar Tanken aumlr att CAN- och

LIN-naumltverken skall ersaumlttas med en alternativ metod vilken oumlverfoumlr informationen oumlver

elnaumltet i fordonet

12 Syfte

Varingrt syfte aumlr att ta fram en teknik som kan kommunicera oumlver det befintliga dc-matade elnaumltet

i ett fordon Detta foumlr att kunna ersaumltta dagens CAN- och LIN-naumltverk i dagens fordon och paring

saring saumltt dra ned paring maumlngden kablage

13 Maringl

Varingrt maringl aumlr att med hjaumllp av BPSK alternativt QPSK teknik ta fram en modul som kan

kommunicera oumlver en dc-matad kabel Detta skall ske med en dataoumlverfoumlringshastighet av

minst 05Mbits

14 Avgraumlnsningar

Projektet kommer inte att beroumlra hur ett eventuellt kommunikationsprotokoll kommer att se ut

foumlr saumlndning och mottagning av data

Vi kommer heller inte att behandla det grafiska interfacet vilket kommer att behoumlvas foumlr att

implementera uppdateringar etc Beslut gaumlllande vilken typ av mikroprocessor som kommer

att anvaumlndas goumlrs ej av oss utan istaumlllet av en mjukvaru-grupp som vi samarbetar med

15 Precisering av fraringgestaumlllningen

Fraringgestaumlllningar som behandlas i rapporten

Vilken typ av modulering aumlr vaumlrd att undersoumlka

Vilken hastighet kommer tekniken att klara av

Garingr det att spaumlnningsmata alla komponenter med hjaumllpa av det befintliga elnaumltet

Aumlr tekniken full-duplex kompatibel

Aumlr tekniken implementerbar i fordon

2

2 Teknisk bakgrund

21 Projektkurs

Innan arbetet paringboumlrjades laumlste vi en projektkurs paring 8 veckor daumlr vi skulle konstruera ett

system med envaumlgskommunikation detta skulle kommunicera oumlver ett dc-matad likstroumlmsnaumlt

Projektet var ett saring kallat proof of concept som skulle undersoumlka om det aumlr moumljligt att

kommunicera oumlver ett dc-matat elnaumlt I projektet anvaumlndes tvaring loumlsningar en digital och en

analog I den digitala loumlsningen anvaumlndes bara tvaring stycken Arduino som kommunicerade med

varandra Med denna loumlsning blev det dock mycket bitfel daring vi testade denna loumlsning paring en

spaumlnningsmatad kabel Saring vi beslutade oss foumlr att utveckla den analoga loumlsningen istaumlllet

I den analoga loumlsningen anvaumlnde vi tvaring olika frekvenser som representerade noll eller ett

Dessa frekvenser skapades med tvaring fasskiftoscillatorer som vi sjaumllva konstruerade

Vilken frekvens som skickades ut paring bussen bestaumlmdes med en mux vilken kontrollerades av

en Arduino Mottagarsidan bestod av tvaring bandpassfilter dessa slaumlppte igenom de tvaring

frekvenserna Daumlrefter likriktades signalerna och jaumlmfoumlrdes i en komparator vilken sedan

laumlstes av en annan Arduino Signalseparatorerna anvaumlndes foumlr att separera ut ac-signalen [20]

Kommunikationssystemet kom upp i en hastighet paring 5k bits och oumlver daring tillkom det

stoumlrningar som orsakade bitfel Figur 21 visar en ritning paring hur systemet saringg ut i

projektkursen

Figur 21 Ritning paring analoga loumlsningen fraringn projektkurs

3

22 Yamar

Det finns foumlr naumlrvarande endast naringgra faring faumlrdiga loumlsningar paring marknaden som aumlr gjorda foumlr

kommunikation oumlver dc-elnaumlt i bilar

Vi har haft moumljligheten att undersoumlka en produkt fraringn ett israeliskt foumlretag Yamar Detta

foumlretag saumlgs ha utvecklat ett fullt fungerande system foumlr kommunikation oumlver likstroumlmselnaumlt

De moduler vi fick studera naumlrmare var DCB1M evaluation board i kombination med

DCB1M USB PC interface Paring modulerna gick det att staumllla in beroende paring om BPSK eller

QPSK skulle anvaumlndas och aumlven vilken oumlverfoumlringshastighet Naumlr vi testade BPSK foumlrsvann

det inte maringnga bitar men naumlr vi staumlllde in den paring att koumlra QPSK i maximal

oumlverfoumlringshastighet saring foumlrsvann upp till 40-60 av bitarna Vilket inte aumlr stabilt framfoumlr

allt daring den spaumlnningsmatadekabeln mellan modulerna inte var laumlngre aumln en meter och

informationen mellan modul och PC anvaumlnde sig USB Det kom alltid fram raumltt bitvaumlrden saring

foumlrmodligen har de loumlst de foumlrsvunna bitarna genom felkorrigering i oumlverfoumlringsprotokollet

Detta test gjordes med ett spaumlnningsaggregat som matade modulerna och aumlven spaumlnningssatte

kabeln Kabelns laumlngd mellan modulerna var fem meter Modulerna aumlr isolerade av ett

plasthoumllje [11]

23 Modulationstekniker

Modulation innebaumlr oumlverlagrad information paring en baumlrvaringg vilken aumlr skickad fraringn en saumlndare

[1][6]

AM Amplitudmodulation(ASK)

Amplitudmodulation innebaumlr en foumlraumlndring av amplitudnivaringn paring saumlndarensbaumlrvaringgsignal

Genom en modulation av amplitudnivaringn garingr det att oumlverfoumlra information med signalen En

houmlg amplitud motsvarar ett houmlgt vaumlrde och en laringg amplitud innebaumlr att signalen har ett laringgt

Genom denna amplitudfoumlraumlnding mellan houmlg och laringg amplitud garingr det att oumlverfoumlra

information med hjaumllp av amplitudmodulation Det finns maringnga olika tekniker som utnyttjar

detta inom bland annat radiokommunikation[1]

FM Frekvensmodulation(FSK)

Istaumlllet foumlr att aumlndra amplituden paring baumlrvaringgen saring varierar frekvensen Genom att anvaumlnda en

bestaumlmd frekvens och variera den upp och ner garingr det att skicka information [1]

4

PM Fasmodulation(PSK)

Detta innebaumlr att signalens fas aumlndras foumlr att representera olika vaumlrden vilket medfoumlr att

amplituden blir konstant Beroende paring hur mycket fasen aumlr vriden representerar fasen ett houmlgt

eller laringgt vaumlrde [1][6][8]

BPSK aumlr en fasmodulationsteknik som baserar sig paring att fasen antingen aumlr 0 grader

eller fasvriden 180 grader Den ena fasen representerar logisk nolla och den andra

logisk etta

QPSK aumlr en fasmodulationsteknik som fasvridits 090180270 grader Detta fungerar

paring samma saumltt som BPSK fast tekniken anvaumlnder sig av yttligare tvaring faser Vilket goumlr

att det garingr att skicka mer information under samma tid Detta innebaumlr att man faringr fyra

punkter daumlr man kan laumlsa av signalen som i sin tur representerar tvaring bitar Vaumlrdet beror

paring i vilken kvadrant fasen ligger i se figur 22

Figur 22 Konstellations diagram oumlver QPSK med graykod

8-PSK

Fasfoumlrskjutning med aringtta olika vaumlrden

16-PSK

Fasfoumlrskjutning med sexton olika vaumlrden

5

3 Genomfoumlrande

31 Komponenter

Mixer

Mixern aumlr en treports komponent som aumlr viktig paring flera saumltt inom de olika

modulationstekninkerna Den anvaumlnds till exempel till om man vill flytta en signal fraringn en

viss frekvens till en annan Detta kan man goumlra daring mixerns utsignal huvudsakligen bestaringr av

tvaring nya frekvenser som aumlr summan och differensen av dess tvaring insignaler daring tillkommer aumlven

en viss del oumlvertoner av dess insignaler Sedan kan man enkelt vaumllja vilken signal man vill ha

genom filtrering [2]

Spaumlnningsregulator

En spaumlnningsregulator aumlr en krets som anvaumlnds foumlr att reglera en spaumlnning till ett oumlnskat vaumlrde

Aumlven om spaumlnningen in till regulatorn skulle variera faringr den ett fixerat vaumlrde ut som bestaumlms

av dimensioneringen av motstaringnden i Figur 32 [17]

Polinverterare

Foumlr att faring ut varingr negativa matning till varingra operationsfoumlrstaumlrkare anvaumlnder vi oss av en krets

som heter LTC7660 Med hjaumllp av tvaring stycken kondensatorer som sitter i anslutning med

polinverteraren garingr det att faring ut den inverterade matningsspaumlnning [19]

6

Operationsfoumlrstaumlrkare

En operationsfoumlrstaumlrkare har maringnga anvaumlndningsomraringden Den garingr att koppla ihop med filter

saring att filter och foumlrstaumlrkning kan kombineras Den kan kopplas som allpassfilter vilken slaumlpper

igenom alla frekvenser och kan fasfoumlrskjuta signalen i ett bestaumlmt antal grader

Vid valet av vilken operationsfoumlrstaumlrkare som skall anvaumlndas var vi tvungna att ta haumlnsyn till

att den maringste klara av att arbeta med varingra oumlnskade frekvenser Foumlr att vara saumlkra paring detta

valde vi att ha en saumlkerhetsmarginal med en faktor tio Det innebaumlr att eftersom vi inte arbetar

med frekvenser oumlver 10 MHz innebaumlr detta att operationsfoumlrstaumlrkaren behoumlver klara att arbeta

vid en frekvens paring 100MHz Valet foumlll daring paring LM6172 som dessutom inneharingller tvaring stycken

se figur 24 [3]

Figur 24 Operationsfoumlrstaumlrkaren LM6172

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

2

2 Teknisk bakgrund

21 Projektkurs

Innan arbetet paringboumlrjades laumlste vi en projektkurs paring 8 veckor daumlr vi skulle konstruera ett

system med envaumlgskommunikation detta skulle kommunicera oumlver ett dc-matad likstroumlmsnaumlt

Projektet var ett saring kallat proof of concept som skulle undersoumlka om det aumlr moumljligt att

kommunicera oumlver ett dc-matat elnaumlt I projektet anvaumlndes tvaring loumlsningar en digital och en

analog I den digitala loumlsningen anvaumlndes bara tvaring stycken Arduino som kommunicerade med

varandra Med denna loumlsning blev det dock mycket bitfel daring vi testade denna loumlsning paring en

spaumlnningsmatad kabel Saring vi beslutade oss foumlr att utveckla den analoga loumlsningen istaumlllet

I den analoga loumlsningen anvaumlnde vi tvaring olika frekvenser som representerade noll eller ett

Dessa frekvenser skapades med tvaring fasskiftoscillatorer som vi sjaumllva konstruerade

Vilken frekvens som skickades ut paring bussen bestaumlmdes med en mux vilken kontrollerades av

en Arduino Mottagarsidan bestod av tvaring bandpassfilter dessa slaumlppte igenom de tvaring

frekvenserna Daumlrefter likriktades signalerna och jaumlmfoumlrdes i en komparator vilken sedan

laumlstes av en annan Arduino Signalseparatorerna anvaumlndes foumlr att separera ut ac-signalen [20]

Kommunikationssystemet kom upp i en hastighet paring 5k bits och oumlver daring tillkom det

stoumlrningar som orsakade bitfel Figur 21 visar en ritning paring hur systemet saringg ut i

projektkursen

Figur 21 Ritning paring analoga loumlsningen fraringn projektkurs

3

22 Yamar

Det finns foumlr naumlrvarande endast naringgra faring faumlrdiga loumlsningar paring marknaden som aumlr gjorda foumlr

kommunikation oumlver dc-elnaumlt i bilar

Vi har haft moumljligheten att undersoumlka en produkt fraringn ett israeliskt foumlretag Yamar Detta

foumlretag saumlgs ha utvecklat ett fullt fungerande system foumlr kommunikation oumlver likstroumlmselnaumlt

De moduler vi fick studera naumlrmare var DCB1M evaluation board i kombination med

DCB1M USB PC interface Paring modulerna gick det att staumllla in beroende paring om BPSK eller

QPSK skulle anvaumlndas och aumlven vilken oumlverfoumlringshastighet Naumlr vi testade BPSK foumlrsvann

det inte maringnga bitar men naumlr vi staumlllde in den paring att koumlra QPSK i maximal

oumlverfoumlringshastighet saring foumlrsvann upp till 40-60 av bitarna Vilket inte aumlr stabilt framfoumlr

allt daring den spaumlnningsmatadekabeln mellan modulerna inte var laumlngre aumln en meter och

informationen mellan modul och PC anvaumlnde sig USB Det kom alltid fram raumltt bitvaumlrden saring

foumlrmodligen har de loumlst de foumlrsvunna bitarna genom felkorrigering i oumlverfoumlringsprotokollet

Detta test gjordes med ett spaumlnningsaggregat som matade modulerna och aumlven spaumlnningssatte

kabeln Kabelns laumlngd mellan modulerna var fem meter Modulerna aumlr isolerade av ett

plasthoumllje [11]

23 Modulationstekniker

Modulation innebaumlr oumlverlagrad information paring en baumlrvaringg vilken aumlr skickad fraringn en saumlndare

[1][6]

AM Amplitudmodulation(ASK)

Amplitudmodulation innebaumlr en foumlraumlndring av amplitudnivaringn paring saumlndarensbaumlrvaringgsignal

Genom en modulation av amplitudnivaringn garingr det att oumlverfoumlra information med signalen En

houmlg amplitud motsvarar ett houmlgt vaumlrde och en laringg amplitud innebaumlr att signalen har ett laringgt

Genom denna amplitudfoumlraumlnding mellan houmlg och laringg amplitud garingr det att oumlverfoumlra

information med hjaumllp av amplitudmodulation Det finns maringnga olika tekniker som utnyttjar

detta inom bland annat radiokommunikation[1]

FM Frekvensmodulation(FSK)

Istaumlllet foumlr att aumlndra amplituden paring baumlrvaringgen saring varierar frekvensen Genom att anvaumlnda en

bestaumlmd frekvens och variera den upp och ner garingr det att skicka information [1]

4

PM Fasmodulation(PSK)

Detta innebaumlr att signalens fas aumlndras foumlr att representera olika vaumlrden vilket medfoumlr att

amplituden blir konstant Beroende paring hur mycket fasen aumlr vriden representerar fasen ett houmlgt

eller laringgt vaumlrde [1][6][8]

BPSK aumlr en fasmodulationsteknik som baserar sig paring att fasen antingen aumlr 0 grader

eller fasvriden 180 grader Den ena fasen representerar logisk nolla och den andra

logisk etta

QPSK aumlr en fasmodulationsteknik som fasvridits 090180270 grader Detta fungerar

paring samma saumltt som BPSK fast tekniken anvaumlnder sig av yttligare tvaring faser Vilket goumlr

att det garingr att skicka mer information under samma tid Detta innebaumlr att man faringr fyra

punkter daumlr man kan laumlsa av signalen som i sin tur representerar tvaring bitar Vaumlrdet beror

paring i vilken kvadrant fasen ligger i se figur 22

Figur 22 Konstellations diagram oumlver QPSK med graykod

8-PSK

Fasfoumlrskjutning med aringtta olika vaumlrden

16-PSK

Fasfoumlrskjutning med sexton olika vaumlrden

5

3 Genomfoumlrande

31 Komponenter

Mixer

Mixern aumlr en treports komponent som aumlr viktig paring flera saumltt inom de olika

modulationstekninkerna Den anvaumlnds till exempel till om man vill flytta en signal fraringn en

viss frekvens till en annan Detta kan man goumlra daring mixerns utsignal huvudsakligen bestaringr av

tvaring nya frekvenser som aumlr summan och differensen av dess tvaring insignaler daring tillkommer aumlven

en viss del oumlvertoner av dess insignaler Sedan kan man enkelt vaumllja vilken signal man vill ha

genom filtrering [2]

Spaumlnningsregulator

En spaumlnningsregulator aumlr en krets som anvaumlnds foumlr att reglera en spaumlnning till ett oumlnskat vaumlrde

Aumlven om spaumlnningen in till regulatorn skulle variera faringr den ett fixerat vaumlrde ut som bestaumlms

av dimensioneringen av motstaringnden i Figur 32 [17]

Polinverterare

Foumlr att faring ut varingr negativa matning till varingra operationsfoumlrstaumlrkare anvaumlnder vi oss av en krets

som heter LTC7660 Med hjaumllp av tvaring stycken kondensatorer som sitter i anslutning med

polinverteraren garingr det att faring ut den inverterade matningsspaumlnning [19]

6

Operationsfoumlrstaumlrkare

En operationsfoumlrstaumlrkare har maringnga anvaumlndningsomraringden Den garingr att koppla ihop med filter

saring att filter och foumlrstaumlrkning kan kombineras Den kan kopplas som allpassfilter vilken slaumlpper

igenom alla frekvenser och kan fasfoumlrskjuta signalen i ett bestaumlmt antal grader

Vid valet av vilken operationsfoumlrstaumlrkare som skall anvaumlndas var vi tvungna att ta haumlnsyn till

att den maringste klara av att arbeta med varingra oumlnskade frekvenser Foumlr att vara saumlkra paring detta

valde vi att ha en saumlkerhetsmarginal med en faktor tio Det innebaumlr att eftersom vi inte arbetar

med frekvenser oumlver 10 MHz innebaumlr detta att operationsfoumlrstaumlrkaren behoumlver klara att arbeta

vid en frekvens paring 100MHz Valet foumlll daring paring LM6172 som dessutom inneharingller tvaring stycken

se figur 24 [3]

Figur 24 Operationsfoumlrstaumlrkaren LM6172

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

3

22 Yamar

Det finns foumlr naumlrvarande endast naringgra faring faumlrdiga loumlsningar paring marknaden som aumlr gjorda foumlr

kommunikation oumlver dc-elnaumlt i bilar

Vi har haft moumljligheten att undersoumlka en produkt fraringn ett israeliskt foumlretag Yamar Detta

foumlretag saumlgs ha utvecklat ett fullt fungerande system foumlr kommunikation oumlver likstroumlmselnaumlt

De moduler vi fick studera naumlrmare var DCB1M evaluation board i kombination med

DCB1M USB PC interface Paring modulerna gick det att staumllla in beroende paring om BPSK eller

QPSK skulle anvaumlndas och aumlven vilken oumlverfoumlringshastighet Naumlr vi testade BPSK foumlrsvann

det inte maringnga bitar men naumlr vi staumlllde in den paring att koumlra QPSK i maximal

oumlverfoumlringshastighet saring foumlrsvann upp till 40-60 av bitarna Vilket inte aumlr stabilt framfoumlr

allt daring den spaumlnningsmatadekabeln mellan modulerna inte var laumlngre aumln en meter och

informationen mellan modul och PC anvaumlnde sig USB Det kom alltid fram raumltt bitvaumlrden saring

foumlrmodligen har de loumlst de foumlrsvunna bitarna genom felkorrigering i oumlverfoumlringsprotokollet

Detta test gjordes med ett spaumlnningsaggregat som matade modulerna och aumlven spaumlnningssatte

kabeln Kabelns laumlngd mellan modulerna var fem meter Modulerna aumlr isolerade av ett

plasthoumllje [11]

23 Modulationstekniker

Modulation innebaumlr oumlverlagrad information paring en baumlrvaringg vilken aumlr skickad fraringn en saumlndare

[1][6]

AM Amplitudmodulation(ASK)

Amplitudmodulation innebaumlr en foumlraumlndring av amplitudnivaringn paring saumlndarensbaumlrvaringgsignal

Genom en modulation av amplitudnivaringn garingr det att oumlverfoumlra information med signalen En

houmlg amplitud motsvarar ett houmlgt vaumlrde och en laringg amplitud innebaumlr att signalen har ett laringgt

Genom denna amplitudfoumlraumlnding mellan houmlg och laringg amplitud garingr det att oumlverfoumlra

information med hjaumllp av amplitudmodulation Det finns maringnga olika tekniker som utnyttjar

detta inom bland annat radiokommunikation[1]

FM Frekvensmodulation(FSK)

Istaumlllet foumlr att aumlndra amplituden paring baumlrvaringgen saring varierar frekvensen Genom att anvaumlnda en

bestaumlmd frekvens och variera den upp och ner garingr det att skicka information [1]

4

PM Fasmodulation(PSK)

Detta innebaumlr att signalens fas aumlndras foumlr att representera olika vaumlrden vilket medfoumlr att

amplituden blir konstant Beroende paring hur mycket fasen aumlr vriden representerar fasen ett houmlgt

eller laringgt vaumlrde [1][6][8]

BPSK aumlr en fasmodulationsteknik som baserar sig paring att fasen antingen aumlr 0 grader

eller fasvriden 180 grader Den ena fasen representerar logisk nolla och den andra

logisk etta

QPSK aumlr en fasmodulationsteknik som fasvridits 090180270 grader Detta fungerar

paring samma saumltt som BPSK fast tekniken anvaumlnder sig av yttligare tvaring faser Vilket goumlr

att det garingr att skicka mer information under samma tid Detta innebaumlr att man faringr fyra

punkter daumlr man kan laumlsa av signalen som i sin tur representerar tvaring bitar Vaumlrdet beror

paring i vilken kvadrant fasen ligger i se figur 22

Figur 22 Konstellations diagram oumlver QPSK med graykod

8-PSK

Fasfoumlrskjutning med aringtta olika vaumlrden

16-PSK

Fasfoumlrskjutning med sexton olika vaumlrden

5

3 Genomfoumlrande

31 Komponenter

Mixer

Mixern aumlr en treports komponent som aumlr viktig paring flera saumltt inom de olika

modulationstekninkerna Den anvaumlnds till exempel till om man vill flytta en signal fraringn en

viss frekvens till en annan Detta kan man goumlra daring mixerns utsignal huvudsakligen bestaringr av

tvaring nya frekvenser som aumlr summan och differensen av dess tvaring insignaler daring tillkommer aumlven

en viss del oumlvertoner av dess insignaler Sedan kan man enkelt vaumllja vilken signal man vill ha

genom filtrering [2]

Spaumlnningsregulator

En spaumlnningsregulator aumlr en krets som anvaumlnds foumlr att reglera en spaumlnning till ett oumlnskat vaumlrde

Aumlven om spaumlnningen in till regulatorn skulle variera faringr den ett fixerat vaumlrde ut som bestaumlms

av dimensioneringen av motstaringnden i Figur 32 [17]

Polinverterare

Foumlr att faring ut varingr negativa matning till varingra operationsfoumlrstaumlrkare anvaumlnder vi oss av en krets

som heter LTC7660 Med hjaumllp av tvaring stycken kondensatorer som sitter i anslutning med

polinverteraren garingr det att faring ut den inverterade matningsspaumlnning [19]

6

Operationsfoumlrstaumlrkare

En operationsfoumlrstaumlrkare har maringnga anvaumlndningsomraringden Den garingr att koppla ihop med filter

saring att filter och foumlrstaumlrkning kan kombineras Den kan kopplas som allpassfilter vilken slaumlpper

igenom alla frekvenser och kan fasfoumlrskjuta signalen i ett bestaumlmt antal grader

Vid valet av vilken operationsfoumlrstaumlrkare som skall anvaumlndas var vi tvungna att ta haumlnsyn till

att den maringste klara av att arbeta med varingra oumlnskade frekvenser Foumlr att vara saumlkra paring detta

valde vi att ha en saumlkerhetsmarginal med en faktor tio Det innebaumlr att eftersom vi inte arbetar

med frekvenser oumlver 10 MHz innebaumlr detta att operationsfoumlrstaumlrkaren behoumlver klara att arbeta

vid en frekvens paring 100MHz Valet foumlll daring paring LM6172 som dessutom inneharingller tvaring stycken

se figur 24 [3]

Figur 24 Operationsfoumlrstaumlrkaren LM6172

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

4

PM Fasmodulation(PSK)

Detta innebaumlr att signalens fas aumlndras foumlr att representera olika vaumlrden vilket medfoumlr att

amplituden blir konstant Beroende paring hur mycket fasen aumlr vriden representerar fasen ett houmlgt

eller laringgt vaumlrde [1][6][8]

BPSK aumlr en fasmodulationsteknik som baserar sig paring att fasen antingen aumlr 0 grader

eller fasvriden 180 grader Den ena fasen representerar logisk nolla och den andra

logisk etta

QPSK aumlr en fasmodulationsteknik som fasvridits 090180270 grader Detta fungerar

paring samma saumltt som BPSK fast tekniken anvaumlnder sig av yttligare tvaring faser Vilket goumlr

att det garingr att skicka mer information under samma tid Detta innebaumlr att man faringr fyra

punkter daumlr man kan laumlsa av signalen som i sin tur representerar tvaring bitar Vaumlrdet beror

paring i vilken kvadrant fasen ligger i se figur 22

Figur 22 Konstellations diagram oumlver QPSK med graykod

8-PSK

Fasfoumlrskjutning med aringtta olika vaumlrden

16-PSK

Fasfoumlrskjutning med sexton olika vaumlrden

5

3 Genomfoumlrande

31 Komponenter

Mixer

Mixern aumlr en treports komponent som aumlr viktig paring flera saumltt inom de olika

modulationstekninkerna Den anvaumlnds till exempel till om man vill flytta en signal fraringn en

viss frekvens till en annan Detta kan man goumlra daring mixerns utsignal huvudsakligen bestaringr av

tvaring nya frekvenser som aumlr summan och differensen av dess tvaring insignaler daring tillkommer aumlven

en viss del oumlvertoner av dess insignaler Sedan kan man enkelt vaumllja vilken signal man vill ha

genom filtrering [2]

Spaumlnningsregulator

En spaumlnningsregulator aumlr en krets som anvaumlnds foumlr att reglera en spaumlnning till ett oumlnskat vaumlrde

Aumlven om spaumlnningen in till regulatorn skulle variera faringr den ett fixerat vaumlrde ut som bestaumlms

av dimensioneringen av motstaringnden i Figur 32 [17]

Polinverterare

Foumlr att faring ut varingr negativa matning till varingra operationsfoumlrstaumlrkare anvaumlnder vi oss av en krets

som heter LTC7660 Med hjaumllp av tvaring stycken kondensatorer som sitter i anslutning med

polinverteraren garingr det att faring ut den inverterade matningsspaumlnning [19]

6

Operationsfoumlrstaumlrkare

En operationsfoumlrstaumlrkare har maringnga anvaumlndningsomraringden Den garingr att koppla ihop med filter

saring att filter och foumlrstaumlrkning kan kombineras Den kan kopplas som allpassfilter vilken slaumlpper

igenom alla frekvenser och kan fasfoumlrskjuta signalen i ett bestaumlmt antal grader

Vid valet av vilken operationsfoumlrstaumlrkare som skall anvaumlndas var vi tvungna att ta haumlnsyn till

att den maringste klara av att arbeta med varingra oumlnskade frekvenser Foumlr att vara saumlkra paring detta

valde vi att ha en saumlkerhetsmarginal med en faktor tio Det innebaumlr att eftersom vi inte arbetar

med frekvenser oumlver 10 MHz innebaumlr detta att operationsfoumlrstaumlrkaren behoumlver klara att arbeta

vid en frekvens paring 100MHz Valet foumlll daring paring LM6172 som dessutom inneharingller tvaring stycken

se figur 24 [3]

Figur 24 Operationsfoumlrstaumlrkaren LM6172

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

5

3 Genomfoumlrande

31 Komponenter

Mixer

Mixern aumlr en treports komponent som aumlr viktig paring flera saumltt inom de olika

modulationstekninkerna Den anvaumlnds till exempel till om man vill flytta en signal fraringn en

viss frekvens till en annan Detta kan man goumlra daring mixerns utsignal huvudsakligen bestaringr av

tvaring nya frekvenser som aumlr summan och differensen av dess tvaring insignaler daring tillkommer aumlven

en viss del oumlvertoner av dess insignaler Sedan kan man enkelt vaumllja vilken signal man vill ha

genom filtrering [2]

Spaumlnningsregulator

En spaumlnningsregulator aumlr en krets som anvaumlnds foumlr att reglera en spaumlnning till ett oumlnskat vaumlrde

Aumlven om spaumlnningen in till regulatorn skulle variera faringr den ett fixerat vaumlrde ut som bestaumlms

av dimensioneringen av motstaringnden i Figur 32 [17]

Polinverterare

Foumlr att faring ut varingr negativa matning till varingra operationsfoumlrstaumlrkare anvaumlnder vi oss av en krets

som heter LTC7660 Med hjaumllp av tvaring stycken kondensatorer som sitter i anslutning med

polinverteraren garingr det att faring ut den inverterade matningsspaumlnning [19]

6

Operationsfoumlrstaumlrkare

En operationsfoumlrstaumlrkare har maringnga anvaumlndningsomraringden Den garingr att koppla ihop med filter

saring att filter och foumlrstaumlrkning kan kombineras Den kan kopplas som allpassfilter vilken slaumlpper

igenom alla frekvenser och kan fasfoumlrskjuta signalen i ett bestaumlmt antal grader

Vid valet av vilken operationsfoumlrstaumlrkare som skall anvaumlndas var vi tvungna att ta haumlnsyn till

att den maringste klara av att arbeta med varingra oumlnskade frekvenser Foumlr att vara saumlkra paring detta

valde vi att ha en saumlkerhetsmarginal med en faktor tio Det innebaumlr att eftersom vi inte arbetar

med frekvenser oumlver 10 MHz innebaumlr detta att operationsfoumlrstaumlrkaren behoumlver klara att arbeta

vid en frekvens paring 100MHz Valet foumlll daring paring LM6172 som dessutom inneharingller tvaring stycken

se figur 24 [3]

Figur 24 Operationsfoumlrstaumlrkaren LM6172

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

6

Operationsfoumlrstaumlrkare

En operationsfoumlrstaumlrkare har maringnga anvaumlndningsomraringden Den garingr att koppla ihop med filter

saring att filter och foumlrstaumlrkning kan kombineras Den kan kopplas som allpassfilter vilken slaumlpper

igenom alla frekvenser och kan fasfoumlrskjuta signalen i ett bestaumlmt antal grader

Vid valet av vilken operationsfoumlrstaumlrkare som skall anvaumlndas var vi tvungna att ta haumlnsyn till

att den maringste klara av att arbeta med varingra oumlnskade frekvenser Foumlr att vara saumlkra paring detta

valde vi att ha en saumlkerhetsmarginal med en faktor tio Det innebaumlr att eftersom vi inte arbetar

med frekvenser oumlver 10 MHz innebaumlr detta att operationsfoumlrstaumlrkaren behoumlver klara att arbeta

vid en frekvens paring 100MHz Valet foumlll daring paring LM6172 som dessutom inneharingller tvaring stycken

se figur 24 [3]

Figur 24 Operationsfoumlrstaumlrkaren LM6172

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

7

Oscillator

Oscillatorer aumlr en vanlig foumlrekommande komponent inom signalbehandling Den anvaumlnds foumlr

att skapa en signal som oscillerar Den oscillerande signalen brukar oftast vara i en sinus- eller

i en fyrkantsform vilket ofta behoumlvs i kommunikationssyften Ett vanligt arbetsomraringde aumlr

inom radiosammanhang Daumlr komponenten ofta anvaumlnds foumlr skapa en svaumlmgande signal som

sedan mixas med en inkommande radiosignal Detta goumlrs foumlr att faring ut raumltt frekvens genom att

modulera baumlrvaringgen fraringn den inkommande signalen Det finns flera olika typer oscillatorer

[2][9]

Voltage controlled oscillator

En VCO aumlr en oscillator som varierar i frekvens utifraringn vilken spaumlnning oscillatorn faringr in Ett

vanligt anvaumlndningsomraringde foumlr en VCO aumlr i en PLL[3]

PIC

Projektet aumlr designat efter en mikroprocessor av typen PIC vid namn DSPIC33FJ64GP802

PICen skall generera informationssignalerna I och Q Den skall aumlven ta emot I och Q

signalerna efter demodulering och behandla dessa[14]

32 Program

Eagle

Vi valde att anvaumlnda CAD-programmet Eagle foumlr att rita upp kretsscheman detta foumlr att

senare kunna tillverka BCD-kretskort och utfoumlra fler tester och maumltningar Aumlven foumlr att det

skall garing att utfoumlra tester i ett fordon vid ett senare tillfaumllle[21]

LTSpice

Foumlr att kunna simulera varingr krets och de delar den aumlr uppbyggd av saring har vi valt att anvaumlnda

simuleringsprogramen LTSpice LTSpice aumlr Linear Technologys version av Spice

Valet foumlll paring detta program daring vi anvaumlnt det i tidigare kurser och eftersom det aumlr laumltt att

implementera nya kretsar och bibliotek om dessa kretsar skulle saknas i programmet [22]

Filter Free

Daring varingr krets bestaringr av flera olika slags filter och daring vi ocksaring testat en del olika baumlrfrekvenser

har vi behoumlvt raumlkna om vaumlrdena ett flertal garingnger Foumlr att inte oumldsla tid paring alla beraumlkning har vi

anvaumlnt oss av ett program som goumlr detta aringt oss Filter Free[23]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

8

33 Modulering

Anledningen till att inte amplitudmodulation valdes aumlr att det aumlr maringnga andra enheter paring

elnaumltet som kan bidra till stoumlrningar och medfoumlr att amplituden varierar foumlr mycket Detta aumlr

inte oumlnskvaumlrt daring signalen kommer att bli foumlr svaringr att sampla och laumlsa av Varingr signal kan aumlven

paringverka spaumlnningen oumlver redan befintliga kretsar vilket inte heller aumlr oumlnskvaumlrt Valet foumlll daring paring

fasmodulering daring det aumlr en vaumll beproumlvad teknik och har maringnga foumlrdelar oumlver

frekvensmodulering [9] Bland annat att fler frekvensomraringden kan anvaumlndas En annan foumlrdel

som tilltala oss var att om det visar sig att QPSK inte aumlr tillraumlckligt stabilt saring kraumlvs vaumlldigt

smaring justeringar foumlr att anvaumlnda oss av BPSK istaumlllet Foumlrhoppningsvis skall det aumlven garing att faring

ut naringgon bra full-duplex teknik med hjaumllp av fasmodulation daring man kan anvaumlnda sig av tvaring

olika baumlrvaumlgsfrekvenser

Figur 31Moduleringskrets

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

9

Full-duplex

Full-duplex innebaumlr att de olika modulerna kan kommunicera med varandra samtidigt paring en

och samma kabel Detta kan aringstadkommas genom att tvaring moduler anvaumlnder varsin

baumlrvaringgssignal med olika frekvenser Foumlr att inte oumlverbelasta en kabel saring kan det vara bra att

koppla samman modulerna i ett saring kallat ldquomeshrdquo se figur 23 Daumlr bara de moduler som har

behov av full-duplex anvaumlnder sig av det En nackdel med det haumlr aumlr att fler antal kabler maringste

anvaumlndas

Figur 23 Mesh

Spaumlnningsregulatorer

Foumlr att minska spaumlnningen fraringn 24V till 5V anvaumlnder vi oss av en spaumlnningsregulator som

heter LM317T Foumlr att faring oumlnskad utspaumlnning fraringn LM317T saring anvaumlnds tvaring stycken resistorer

dimensionerade enligt formel 31 och figur 32 Kondensator C1 behoumlvs om regulatorn aumlr

placerad laringngt fraringn spaumlnningskaumlllan och C2 foumlr att foumlrbaumlttra transientresponsen Till matningen

av operationsfoumlrstaumlrkarna kraumlvs 5V LM317T anvaumlnds aumlven till att reglera spaumlnningen till

33V vilket oscillatorn och PICen behoumlver som matningsspaumlnning

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

10

LM317 aumlr utformad saring att den kan klara av en varierande inspaumlnning fraringn 12V till 30V detta

paring grund av att det kan foumlrekomma variationer paring amplituden i elnaumltet

Figur 32 Spaumlnningsregulator

(31)

Polinverterare

Foumlr att kunna faring den behoumlvda negativa matningen som varingra operationsfoumlrstaumlrkare behoumlver saring

anvaumlnder vi oss av en polinverterare Det kretsen goumlr aumlr helt enkelt att den inverterar dess

matningspaumlnning Vilket innebaumlr att om den matas med +5V saring faringr vi varingr behoumlvda -5V

Oscillatorer

Till en boumlrjan testade vi att tillverka egna oscillatorer eftersom vi har gjort detta i ett tidigare

projekt och faringtt en fungerande fasskiftsoscillator Vi boumlrjade med att konstruera olika sorters

Colpitts och kristall oscillatorer Men utan framgaringng foumlr varingra frekvenser och stabilitets krav

Efter att vi har testat att tillverka egna oscillatorer saring beslutade vi oss istaumlllet foumlr att koumlpa in

faumlrdigkonstruerade oscillatorer foumlr frekvenserna 4 MHz 73728 MHz och 10 MHz

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

11

Fasfoumlrskjutning

Foumlr att skapa de oumlnskade fasfoumlrskjutningarna paring 90o180

o270

o saring anvaumlnder vi foumlrst ett saring kallat

allpassfilter bestaringende av en ickeinverterande op-amp med korrekt dimensionerade resistor

och kondensator foumlr att skapa den foumlrsta fasfoumlrskjutningen paring 90o Foumlr att sedan fasfoumlrskjuta

en signal 180o anvaumlnder vi inverterande op-amp 270

o farings genom att i serie anvaumlnda en

inverterare och ett allpassfilter Figur 33 visar de olika fasfoumlrskjutningarna efter varje steg

Foumlr att faring allpassfiltret att ge oss en fasvridning paring 90 grader vid oumlnskad frekvens saring behoumlver

resistorerna och kondensatorerna dimensioneras korrekt detta goumlrs genom formeln 32 Om

en foumlrstaumlrkning av signalen skulle behoumlvas garingr det att justera fram genom att dimensionera

foumlrharingllandet mellan resistorerna paring den negativa ingaringngen paring op-ampen

Figur 33 Graf och krets foumlr fasfoumlrskjutning i LTSpice

(32)

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

12

HEX-inverterare

Foumlr invetering av IQ-datan som kommer ut fraringn PICen och in i CD4016-kresten anvaumlnds en

hexinverter Detta goumlrs eftersom vi behoumlver inversen foumlr att reglera vilken fas av varingr signal

som skall ges som utsignal senare i varingr CD4016-krets (se figur 31) Figur 34 visar hur datan

ser ut innan och efter den invertertas i kretsen

Figur 34 Data foumlre och efter

CD4016

Foumlr att skapa de tvaring BPSK-signalerna anvaumlnder vi oss av en krets vid namn CD4016 [15]

CD4016 bestaringr av 4 switchar som Figur 35 illustrerar Switcharna styrs av I- och Q-datan och

dess inverser Beroende paring vilket vaumlrde I- och Q-datan har saring slaumlpps en viss fas av signalen

igenom Detta innebaumlr om till exempel I aumlr houmlg saring slaumlpps en icke fasvriden signal igenom och

om I aumlr laringg saring slaumlpps den 180o fasvridna signalen igenom se Figur 31

Figur 35 CD4016 blockschema

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

13

Summator

Efter att signalerna har omvandlats till BPSK och Q-signalen har fasvridits 90o garingr de in i en

summator som laumlgger ihop signalerna till en QPSK signal Summatorn aumlr konstruerad av en

op-amp med foumlrstaumlrkning saring att signalen inte aumlr foumlr svag naumlr den garingr ut paring DC-naumltet Figur 36

visar hur varingr summator konstruerats

Figur 36 Summatorkretsen

Signalseparator

Innan signal garingr ut paring DC-naumltet saring behoumlver man se till att spaumlnningen ute paring naumltet foumlrstoumlr

modulerna Det loumlses enkelt med hjaumllp av en kondensator som blockerar likstroumlmmen Samma

loumlsning anvaumlnds aumlven paring mottagarsidan

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

14

34 Demodulering

Schemat i figur 37 visar en bild paring mottagarsidan i modulen

Figur 37 Demodulator blockschema

Bandpassfilter

Bandpassfiltret bestaringr av tvaring stycken olika filter Foumlrst ett houmlgpassfilter som filtrerar bort

signaler med frekvensen under 72228 MHz och slaumlpper igenom frekvenser oumlver Det andra

filtret aumlr ett laringgpassfilter vilket slaumlpper igenom signaler paring frekvenser under 75228 MHz

Detta leder till att bandpassfiltret har en bandbredd paring 03 MHz Bandbredden skall vara saring

smal som moumljligt foumlr att blockera saring mycket stoumlrningar som det garingr foumlr att inte stoumlrningarna

skall ta sig igenom bandpassfiltret Designen av LP-filtret anvaumlnds aumlven senare efter varingr

MC1496 krets foumlr att filtrera bort alla oumlvertoner som uppstaringr Figur 38 visar hur

bandpassfiltret aumlr konstruerat dimensionering av kretsarna har vi faringtt fraringn programmet Filter

Free [23]

Figur 38 Bandpassfiltret

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

15

Balanserad modulatordemodulator

MC1496 aumlr balanserad modulatordemodulator vilken aumlven garingr att anvaumlnda som en

faskomparator Detta goumlrs genom att kretsen jaumlmfoumlr varingr insignal med en referenssignal fraringn

varingr VCO i PLLen Referenssignalen har samma frekvens som varingr insignal Resultatet ges

sedan paring utporten i form av en positiv eller negativ likriktad spaumlnning Figur 39 visar hur

MC1496-kretsen aumlr kopplad foumlr att fungera som en faskomparator [13]

Figur 39 MC1496 som faskomparator

Mixer

Mixern anvaumlnds foumlr att skapa den referensspaumlnning som VCOn behoumlver foumlr att den skall

kunna generera oumlnskad signal

VCO

VCOn anvaumlnds i varingr krets som en del av en Costas loopVCOn kommer att leverera

referenssignalen till demoduleringskretsarna (MC1496) Detta goumlrs foumlr att faring en signal med

raumltt frekvens och fas foumlr att kunna jaumlmfoumlras med insignalen Den ena signalen kommer att

vara oroumlrd efter VCOn medan den andra kommer fasvridas 90o Detta foumlr att kunna fungera

som referens till varingr andra demoduleringskrets

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

16

Costas loop

MC1496 LP-filter mixer och VCOn bildar tillsammans vad man kallar en Costas loop[9]

Costas loopen aumlr ett effektivt saumltt att aringterstaumllla baumlrsignalens ursprungsfas Detta illustreras i

Figur 37

Komparator

Komparatorn bestaringr av en operationsfoumlrstaumlrkare som beroende av insignalen och en referens

spaumlnning antingen bottnar i houmlg eller laringg utspaumlnning detta beroende paring om insignalens

spaumlnning aumlr houmlgre eller laumlgre aumln varingr referensspaumlnning Daumlrmed saring har vi skapat en fyrkantsvaringg

som varingr PIC kan laumlsa Figur 310 visar hur signalen ser ut naumlr den kommer in i komparatorn

och dess digitala motsvarighet efter den har bearbetats

Figur 310 Graf och krets foumlr komparator

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

17

4 Resultat amp Analys

Anledningen till att fasmodulation valdes var paring grund av att det aumlr en vaumllbeproumlvad teknik

som passade bra foumlr att uppnaring kriterierna paring oumlverfoumlringshastighet Aumlven paring grund av att det aumlr

en beproumlvad teknik som applicerats paring maringnga andra omraringden Det aumlr ocksaring en teknik som aumlr

relativt laumltt att modifiera om man skulle oumlnska en houmlgre eller laumlgre oumlverfoumlringshastighet

genom att garing fraringn BPSK till QPSK och aumlven i framtiden kanske 8- eller 16-PSK

Hastigheten som tekniken kommer kunna leverera aumlr beroende paring vilken microprocessor som

kommer att anvaumlndas och hur snabbt den kan sampla indatan

Hur kommunikationsprotokoll kommer att konstrueras paringverkar ocksaring vilken hastighet varingr

loumlsning kommer att klara av Tar vi bara haumlnsyn till varingr analoga del saring kommer vi kunna

saumlnda information i en hastighet av 184Mbits med BPSK och den dubbla hastigheten med

QPSK Vi har valt att anvaumlnda en frekvens paring varingr I och Q data av 184 MHz detta paring grund

av att vi vill ha 4 svaumlngningar av baumlrvaringgssignalen per bit saring att systemet garanterat hinner

med i alla kretsar i demoduleringen Vi testade med en och tvaring svaumlngningar per bit men detta

ledde till maringnga fel vid demoduleringen

Systemet aumlr kopplat saring att det garingr att faring komponenternas spaumlnningsmatning ifraringn elnaumltet Med

hjaumllpa av tvaring stycken spaumlnningsregulatorer som behoumlver en inspaumlnning mellan 12 till 30 volt

som sen kan reglera ner spaumlnningen till 5 respektive 33 volt vilket komponenterna i kretsen

behoumlver Den negativa matningsspaumlnningen som operationsfoumlrstaumlrkarna och mikroprocessorn

behoumlver kommer fraringn en spaumlnningsinverterare En nackdel aumlr dock att fordonet maringste vara

igaringng saring att alla komponenterna faringr spaumlnningsmatning

Systemet aumlr utvecklat saring att det skall garing att anvaumlnda flera moduler som skall kunna

kommunicera mellan varandra samtidigt Detta kan goumlras genom att olika frekvenser anvaumlnds

eller med hjaumllp av ett kommunikationsprotokoll som anger prioritet foumlr varje modul Genom

att koppla upp modulerna i mindre ldquomeshrdquo-naumltverk garingr det ocksaring att uppnaring full-duplex alltsaring

att modulerna kan kommunicera mellan varandra paring samma garingng

Om tekniken skall implementeras in i ett fordon i befintligt skick kommer det att behoumlvas

olika former av stoumlrningsskydd foumlr stoumlrningar vilka kommer att paringverka systemet Till

exempel foumlr signaler som ocksaring existerar paring MHz-nivaring Aumlven foumlr andra former av stoumlrningar

som inte har beroumlrts i rapporten saring som transienter

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

18

41 Diskussion

411 Planering

De resultat vi uppnaringtt under projektet har uppfyllt varingra foumlrvaumlntningar produkten behoumlver dock

vidare utvecklas foumlr att kunna anvaumlndas i ett fordon Gant-schemat bifogat i Bilaga har foumlljts

fraringn boumlrjan till slut undantaget aumlr parallellkommunikation daring detta blev bort prioriterat daring

fokus gick oumlver till tester paring envaumlgskommunikationen

412 Oscillatorerna

Naringgra av anledningarna till att de egentillverkade oscillatorerna ej fungerar aumlr troligtvis att vi

foumlrst inte anvaumlnde oss av keramiska kondensatorer naumlr vi kopplade upp kretsarna i praktiken

Detta kan vara en av de stoumlrsta bidragande faktor till att oscillatorerna inte fungerade En

annan orsak kan vara att vi anvaumlnde oss av labbplattor som inte klarar av frekvenser paring MHz

nivaring Naumlr det roumlr sig om frekvenser paring MHz nivaring kraumlvs det motstaringnd och kondensatorer med

vaumlldigt laringga vaumlrden Det medfoumlr att labbplattans impedans och kapasitans inte blir foumlrsumbar

Daumlrfoumlr gick vi istaumlllet oumlver till att rita upp kretsen i programmet LTSpice vilket aumlr ett

simuleringsprogram och aumlven i Eagle som aumlr ett CAD-program LTSpice anvaumlnde vi foumlr att

simulera och testa saring att allt skulle fungerar innan det kopplades upp i praktiken Eagle

anvaumlnde vi foumlr att goumlra en ritning foumlr kretsen saring att det garingr att tillverka ett BCD-kretskort

istaumlllet foumlr labbplattorna

413 Simuleringsprogram

Den stoumlrsta delen av varingrt projekt har baserats paring simuleringar i LTSpice paring grund av att detta

aumlr ett bra saumltt foumlr att se hur varingra kretsarna beter sig separat och sedan anslutna tillvarandra

Detta har hjaumllpt oss att faring ihop ett komplett system daumlr det aumlr laumltt att aumlndra eller laumlgga till

kretsar som kan behoumlvas Det har aumlven underlaumlttat om vi behoumlvt justera naringgot till exempel om

vi behoumlvt en smalare bandbredd foumlr varingrt BP-filter eller mer foumlrstaumlrkning av signalen

naringgonstans Daring vi avgraumlnsat oss fraringn mjukvara saring har det aumlven hjaumllp oss vid tester foumlr olika

oumlverfoumlringshastigheter daring dessa enkelt kan aumlndras

414 Kritisk diskussion

Naringgra saker som vi troligtvis skulle gjort annorlunda aumlr att goumlra fler tester paring laumlgre

frekvensomraringden med fasmodulation Eftersom labbplattorna inte klarade av att jobba paring de

frekvenser som vi har valt foumlr att uppnaring varingr oumlnskade hastighet Daumlrfoumlr oumlvergick vi mer till att

anvaumlnda simuleringsprogrammet LTSpice istaumlllet foumlr att koppla upp allt i praktiken paring en

labbplatta

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

19

5 Miljouml- amp Ekonomiaspekter

Inom projektet finns det maringnga miljoumlaspekter Dels att antalet kommunikationskablar kommer

att minska i fordonet vilket medfoumlr att kabelmattorna kommer krympa i storlek Vilket goumlr att

fordonet blir laumlttare och kan minska sin braumlnslefoumlrbrukning En annan aspekt aumlr att eftersom

faumlrre antal kablar kommer att behoumlvas blir det mindre metall i fordonet som leder till att

mindre maumlngd metall behoumlver utvinnas och tas fram i metallgruvor Detta kan ocksaring leda till

att antal transporter foumlr metallen minskar vilket paringverkar CO2-utslaumlppen positivt

Projektet aumlr huvudsakligen till foumlr att minska antalet kommunikationskablar i fordon Detta

innebaumlr ocksaring att kostnader kan bli laumlgre genom att kabelmattorna krymper i storlek och blir

enklare att montera Vilket aumlven kommer att minska monteringskostnaden foumlr dessa Eftersom

faumlrre kommunikationskablar behoumlvs sparas material och daumlrigenom pengar Om modulerna

dessutom massproduceras garingr det att minska tillverkningskostnaderna aumlnnu mer

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

20

Litteraturfoumlrteckning

[1] Jan Soelberg Allmaumln elektronik Malmouml Josty kit foumlrlag1982[ISBN919-703-4908 alt

919-703-4924]

[2] David M Pozar Microwave and RF design of wireless systems Hoboken-NJ-USA John

Wiley amp Sons Inc [ISBN 978-047-132-2825]

[3] Thomas L Floyd Electronic devices Upper Saddle River-NJ- USA Pearson Education

Inc 2002[ISBN013-028-484]

[4] Michel Daound Yacoub Foundations of mobile radio engineering Boca Raton-Florida-

USA CRC Press 2000[ISBN084-938-6772]

[5] Leon W Couch Digital and analog communication systems Upper Saddle River-NJ-

USA Pearson Education Inc 2007 [ISBN 013-142-4920]

[6] Kent Mayer Datakommunikation I praktiken Falun Pagina Foumlrlag AB 2001 [ISBN 916-

360-6615]

[7] Cotter W Sayre Complete wireless design New York-NY-US McGraw-Hill 2001

[ISBN 978-007-138-3738]

[8] William Schweber Electronic communication systems Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2002 [ISBN 013-091-6218]

[9] Paul H Young Electronic communication techniques Upper Saddle River-NJ- USA

Pearson Education Inc 2004 [ISBN 013-122-8854]

[10] Per Wallander 17 lektioner I telekommunikation Aumllvsjouml Perant 2001 [ISBN 918-629-

6108]

[11] rdquoYamarrdquo Yamar Electronics Ltd 2014 wwwyamarcom[05062014]

[12] CD74HCT4046A Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1762460pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[13] MC1496 ON Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets114361pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[14] DSPIC33FJ64GP802 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1669425pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[15] CD4016 Microchip [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1823580pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

21

[16] Oscillator CO1 Rami Technology [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwramitechnologycomproductsspecclock_oscclock_co1-co13pdf

[Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[17] LM317T Fairchild Semiconductor [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1725569pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[18] LM6172 Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1806051pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[19] LMC7660 Texas Instruments [Online] Tillgaumlnglig

httpwwwfarnellcomdatasheets1811103pdf [Anvaumlnd 20 Maj 2014]

[20] M Musbah J Vallander J Martin A A Andreas och T Svensson rdquoPowerline

Communicationrdquo Chalmers Tekniska Houmlgskola (DAT065) 2014

[21] rdquoEaglerdquo Cadsoft 2014 httpwwwcadsoftusacom[050614]

[22] ldquoLTspicerdquo Linear Technology 2014 httpwwwlinearcomdesigntoolssoftware

[050614]

[23] ldquoFilter Free 2011rdquo Nuhertz Technologies LLC 2013 httpwwwnuhertzcom

[050614]

22

Bilagor

Figur Gant-schemat