DE19509141C2 - Method and arrangement for exchanging data - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zum kontaktlosen Austausch von Daten zwischen zwei Geräten von denen das eine vorzugsweise beweglich ist. Für die zunehmende Lenkung von Verkehrsmitteln und mit dem zunehmenden bidirektionalen Transfer von Informationen zu den Verkehrsteilnehmern werden immer leistungsfähigere drahtlose Übertragungstechniken benötigt.The invention relates to a method and an arrangement for the contactless exchange of Data between two devices, one of which is preferably mobile. For the increasing control of modes of transport and with the increasing bidirectional transfer Information on road users is becoming increasingly powerful wireless Transmission techniques needed.
Je nach Anforderung sind bereits Funk-Mikrowellen- und Lichtübertragungstechniken im Einsatz. Für die Übertragung im Nahbereich mit geometrisch festgelegtem Kopplungsbereich haben sich Übertragungssysteme mit Licht, vorzugsweise im Infrarotbereich, als Träger bewährt. Da beim Vorbeifahren des Fahrzeugs an der ortsfesten Station eine möglichst lange Kopplungszeit erzielt werden soll, sind die Öffnungswinkel sowohl des Senders als auch des Empfängers relativ groß. Aus diesem Grund haben sich als Lichtquellen LED′s (lichtemittierende Dioden) durchgesetzt, da sie neben der einfachen Handhabung und dem günstigen Preis einen großen Abstrahlungsbereich aufweisen. Die ansteuernde Senderendstufe besteht in aller Regel aus einem Schalttransistor der entweder voll durchgesteuert wird oder gänzlich sperrt. Diese einfachen Schaltungen gewähren die geringste Erwärmung der Endstufen und sind einfach im Aufbau.Depending on the requirements, radio-microwave and light transmission technologies are already in use Commitment. For transmission at close range with a geometrically defined coupling area have transmission systems with light, preferably in the infrared, as a carrier proven. As long as possible when the vehicle drives past the fixed station Coupling time should be achieved, the opening angle of both the transmitter and the Receiver relatively large. For this reason, LEDs have become light sources (light-emitting diodes) because they are easy to use and low price have a large radiation range. The controlling transmitter output stage usually consists of a switching transistor which is either fully activated or completely blocks. These simple circuits ensure the least heating of the Power amplifiers and are easy to set up.
Mit zunehmendem Einsatz derartiger Systeme nehmen jedoch die Probleme der gegenseitigen Störung zu, insbesondere bei Systemen bei denen das Fahrzeug kontinuierlich sendet, wodurch die geometrische Eingrenzung des Kopplungsbereiches aufgehoben wird.With the increasing use of such systems, however, the problems of each other decrease Disturbance, especially in systems in which the vehicle transmits continuously, causing the geometric delimitation of the coupling area is removed.
Beim Empfang ist die Selektion des gewünschten Lichtträgers analog zur Frequenzselektion bei HF-Empfängern, zum Beispiel durch optische Filter, nicht möglich da aus physikalischen Gründen nur LED′s mit bestimmten Lichtwellenlängen herstellbar sind. Die LED′s erzeugen Licht in einem breiten Spektrum, das außerdem mit der Umgebungstemperatur verändert wird. When receiving, the selection of the desired light carrier is analogous to the frequency selection with RF receivers, for example through optical filters, not possible because of physical Reasons only LED's can be produced with certain light wavelengths. Generate the LED's Light in a wide range, which also changes with the ambient temperature.
Aus diesem Grunde wird die eigentliche Information einem sogenannten Subträger aufmoduliert. Das so gebildete Signal moduliert dann den eigentlichen Träger, also das Infrarotlicht. Nach der Umsetzung der Lichtsignale in elektrische Signale wird dann im Empfänger der Subträger selektiert. Dadurch reduziert sich die Störbeeinflussung durch andere Sender mit einem Subträger unterschiedlicher Frequenz.For this reason, the actual information becomes a so-called subcarrier modulated. The signal thus formed then modulates the actual carrier, that is Infrared light. After the conversion of the light signals into electrical signals, the Subcarrier recipient selected. This reduces interference by others Transmitter with a subcarrier of different frequencies.
Ein derartiges Übertragungsverfahren ist bei Leitsystemen im öffentlichen Nahverkehr genormt. In der Patentschrift 39 15 137 ist dieses Verfahren in verbesserter Form beschrieben.Such a transmission method is used for control systems in local public transport standardized. This process is described in improved form in the patent specification 39 15 137.
Gegenüber Übertragungsverfahren ohne Subträger, mit der sogenannten Basisbandmodulation, ist dieses Übertragungsverfahren schon deutlich günstiger in seiner Störunanfälligkeit.Compared to transmission methods without subcarrier, with the so-called baseband modulation, this transmission method is already significantly less prone to interference.
Die zunehmenden Informationsmengen erfordern immer höhere Datenraten. Da aber die Schaltgeschwindigkeit der LED′s begrenzt ist, können höhere Datenraten nur durch ein reduziertes Frequenzverhältnis von Subträgerfrequenz zur Datenübertragungsfrequenz erzielt werden. Der Empfänger muß dann sehr breitbandig ausgelegt werden und verliert somit seine Fähigkeit zur Selektion von Störsignalen. Ein Nachteil obiger Subträgermodulation ist auch der große Oberwellenbereich des Subträgersignales der durch die Impulsform verursacht wird.The increasing amount of information requires ever higher data rates. But there Switching speed of the LED’s is limited, higher data rates can only be achieved by one reduced frequency ratio of subcarrier frequency to data transmission frequency achieved will. The receiver must then be designed to be very broadband and thus lose its Ability to select interference signals. Another disadvantage of the above subcarrier modulation is that large harmonic range of the subcarrier signal caused by the pulse shape.
Damit wird auch bei schmalbandigen Empfängern die Selektion des Störsignales verschlechtert.This makes the selection of the interference signal even with narrowband receivers worsened.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorbeschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.The invention has for its object the above-described disadvantages of the prior art Avoid technology.
Die Lösung hierfür ist in den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 3 zu sehen.The solution to this can be seen in the features of claims 1 and 3, respectively.
Die jeweils nachgeordneten Ansprüche betreffen Weiterbildungen der Gegenstände dieser Ansprüche.The respective subordinate claims relate to further developments of the subject matter of these Expectations.
In Bild 1 sind die wichtigsten Komponenten einer unidirektionalen Übertragung dargestellt. Im praktischen Betrieb wird jedoch häufig der bidirektionale Einsatz Verwendung finden. Die Steuerung STG1 (11) bewirkt mit Hilfe des Generators G1 (12) sowohl die zeitgerechte Anforderung der Daten D1 mit dem Signal DAN als auch die Modulation der Daten im Modulator MOD (13). Die modulierten Daten D2 werden vom Sender S (14) in Lichtsignale D3 umgesetzt, die zum Empfänger E (24) gelangen. Im Empfänger werden die Lichtsignale in entsprechende elektrische Signale D4 umgesetzt, die nach Umformung in ein Digitalsignal 41 durch die Stufe AD (26) dem Demodulator DEM (23) und bei Empfängern mit durchlaufendem Datenabgabesignal DAB der PLL-Stufe (25) eingespeist werden. Im Demodulator DEM (23) wird das Signal D41 vom Empfänger in das ursprüngliche Binärsignal D5 zurückgeführt. Die Demodulation wird von der Steuerung STG2 (2) unterstützt, die die erforderlichen Taktsignale liefert die vom Generator G2 (22) abgeleitet werden. Die Steuerung STG2 (2) generiert auch die Meldung DAB, die das Vorhandensein von Binärdaten signalisiert. Figure 1 shows the most important components of a unidirectional transmission. However, bidirectional use will often be used in practical operation. The control STG1 ( 11 ) uses the generator G1 ( 12 ) to promptly request the data D1 with the signal DAN and to modulate the data in the modulator MOD ( 13 ). The modulated data D2 are converted by the transmitter S ( 14 ) into light signals D3, which reach the receiver E ( 24 ). In the receiver, the light signals are converted into corresponding electrical signals D4 which, after being converted into a digital signal 41 by the stage AD ( 26 ), are fed to the demodulator DEM ( 23 ) and, in the case of receivers with a continuous data output signal DAB, to the PLL stage ( 25 ). In the demodulator DEM ( 23 ), the signal D41 is returned by the receiver to the original binary signal D5. The demodulation is supported by the control STG2 ( 2 ), which supplies the necessary clock signals which are derived from the generator G2 ( 22 ). The control STG2 ( 2 ) also generates the message DAB, which signals the presence of binary data.
Bild 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der wichtigsten Signale. Die binären Daten D1 werden mit dem Datenanforderungssignal DAN vom (nicht dargestellten) Datenerzeuger bereitgestellt. Die der Subträgerfrequenz fs entsprechende Taktrate des Taktes T ist hier doppelt so hoch wie die Datenübertragungsrate 1/fD. Figure 2 shows the time course of the most important signals. The binary data D1 are provided with the data request signal DAN by the data generator (not shown). The clock rate of the clock T corresponding to the subcarrier frequency fs is here twice as high as the data transmission rate 1 / fD.
Das erfindungsgemäße Modulationsverfahren besteht darin, daß pro Bit des Datensignales D1 synchron zwei aus einer beliebigen Anzahl von Impulsen bestehenden Impulspakete im modulierten Signal D2 erzeugt werden, die gegenüber dem unmodulierten Subträger T (fS) um den Betrag +Δp oder -Δp zeitlich voreilen, bzw. nacheilen. Im Falle einer binären 1 im Signal D1 haben die beiden zugehörigen Impulspakete des Impulspaketpaares dieselbe Versatzrichtung +Δp oder -Δp, wohingegen bei einer binären 0 die Versatzrichtung wechselt. In Bild 2 ist die Lösung mit Impulspaketen, die nur aus einem Impuls bestehen, dargestellt. Die Versatzrichtung wechselt außerdem nach jedem Impulspaketpaar, also zwischen dem zweiten Impulspaket eines Impulspaketpaares (Ende des Bits) und dem ersten Impulspaket des nachfolgenden Impulspaketpaares (Anfang der nächsten Bits), so daß sich für die im Bild 2 dargestellte binäre Folge des Signales D1 die Impulsfolge D2 nach dem Modulator MOD (13) ergibt. Diese Modulationsart weist keine Frequenzabweichung vom Subträgersignal fS auf, da sich die zeitlichen Versätze ausgleichen, vorausgesetzt daß die Summe der übertragenen Bits der Wertigkeit 1 geradzahlig ist. Die Auswertung bzw. Umsetzung des Signales D4 im Empfänger basiert auf der Auswertung der zeitlichen Abstände der Impulspakete eines Impulspaketpaares. Das Lichtsignal D3 entspricht in seiner Amplitudenfolge im wesentlichen D2. Das vom Empfänger E erzeugte Signal D4 zeigt das typische Verhalten das durch Frequenzbegrenzung entsteht. Bild 3 zeigt die wichtigsten Signale der Signalauswertung. Nach Umformung des Signales D4 in ein binäres Signal D41 (Schmittrigger) wird der Abstand der Impulspakete eines Impulspaketpaares durch die feste Zeit 1/fS des Signales D41 überprüft. Entspricht der Impulspaketabstand 1/fS, handelt es sich um eine binäre 1, bei zu großem oder zu kleinem Abstand handelt es sich um eine binäre 0. Das Signal T = 1/fS wird aus dem Empfangssignal D41 abgeleitet; beispielhaft mit Hilfe der PLL-Schaltung PLL (25).The modulation method according to the invention is that two pulse packets consisting of any number of pulses are generated synchronously in the modulated signal D2 per bit of the data signal D1, which lead in time by + Δp or -Δp compared to the unmodulated subcarrier T (f S ), or hurry. In the case of a binary 1 in the signal D1, the two associated pulse packets of the pair of pulse packets have the same offset direction + Δp or -Δp, whereas with a binary 0 the offset direction changes. Figure 2 shows the solution with pulse packages that consist of only one pulse. The direction of offset also changes after each pulse packet pair, i.e. between the second pulse packet of a pulse packet pair (end of the bit) and the first pulse packet of the subsequent pulse packet pair (beginning of the next bits), so that the pulse sequence for the binary sequence of the signal D1 shown in Figure 2 D2 after the modulator MOD ( 13 ) results. This type of modulation has no frequency deviation from the subcarrier signal f S , since the time offsets compensate for one another, provided that the sum of the transmitted bits of value 1 is an even number. The evaluation or implementation of the signal D4 in the receiver is based on the evaluation of the time intervals of the pulse packets of a pair of pulse packets. The amplitude of the light signal D3 essentially corresponds to D2. The signal D4 generated by the receiver E shows the typical behavior that arises due to frequency limitation. Figure 3 shows the most important signals for signal evaluation. After the signal D4 has been converted into a binary signal D41 (Schmit trigger), the distance between the pulse packets of a pair of pulse packets is checked by the fixed time 1 / f S of the signal D41. If the pulse packet distance corresponds to 1 / f S , it is a binary 1, if the distance is too large or too small it is a binary 0. The signal T = 1 / f S is derived from the received signal D41; for example with the help of the PLL circuit PLL ( 25 ).
Der Vorteil des oben beschriebenen Übertragungsverfahrens liegt in der sehr schmalbandigen Empfängerstufe E, die durch die geringe Bandbreite der anmeldungsgemäßen Modulationsart ermöglicht wird, obwohl das Verhältnis zwischen Subträgerfrequenz und Datenfrequenz (im dargestellten Beispiel Faktor 2) klein ist. Durch die Auswahl des Verhältnisses n von Subträgerperiodendauer 1/fS und zeitlichem Versatz Δp kann das System auf unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden. Bei ungünstigem Signal/Rauschverhältnis wird ein kleiner Faktor n gewählt. Dafür ist allerdings die Bandbreite des Empfangskreises zu vergrößern und Störsignale können schlechter ausgefiltert werden.The advantage of the transmission method described above lies in the very narrow-band receiver stage E, which is made possible by the low bandwidth of the type of modulation according to the application, although the ratio between subcarrier frequency and data frequency (factor 2 in the example shown) is small. The system can be adapted to different requirements by selecting the ratio n of subcarrier period 1 / f S and time offset Δp. If the signal / noise ratio is unfavorable, a small factor n is selected. However, the bandwidth of the receiving circuit must be increased and interference signals can be filtered out more poorly.
Das beschriebene Modulationsverfahren gewährleistet zwar den störungsarmen Betrieb des eigenen Systems, die steilen Flanken der Senderimpulse erzeugen aber Oberwellen, die andere Systeme stören können. Aus diesem Grund werden in einer Weiterbildung des Verfahrens die Sendeimpulse wie in Bild 4 dargestellt, in "Glockenimpulse" mit geringem Oberwellengehalt umgeformt. Although the described modulation method ensures the low-interference operation of your own system, the steep edges of the transmitter pulses generate harmonics that can disturb other systems. For this reason, in a further development of the method, the transmission pulses are transformed into "bell pulses" with a low harmonic content, as shown in Figure 4.
Bild 5 zeigt die zugehörige Schaltung, die aus m Sendestufen besteht, die einzeln über TA1 . . . TAm von der abgewandelten Logikstufe LOG1 digital angesteuert werden. Die Glockenform des Sendesignals wird annähernd erreicht, wenn eine entsprechende Anzahl von m Sendestufen gleichzeitig angesteuert werden. Figure 5 shows the associated circuit, which consists of m transmitters, each individually via TA1. . . TAm can be controlled digitally by the modified logic level LOG1. The bell shape of the transmission signal is approximately achieved if a corresponding number of m transmission stages are activated simultaneously.
In Bild 4 werden neun Stufen verwendet. Zur Erzeugung der glockenförmigen Impulsform werden zum Zeitpunkt a zwei, zum Zeitpunkt b vier Sendestufen angesteuert. Die maximale Lichtmenge wird am Scheitelpunkt d und e des Impulses mit allen neun Sendern erreicht. Welche Stufe angesteuert wird ist ohne Einfluß auf die Impulsform des Sendesignales, da ja nur die Summe der durchgeschalteten Sender entscheidet. Um jedoch eine ausgeglichende Belastung der einzelnen LED′s zu erreichen, was aus Gründen der Alterung wünschenswert ist, wird die nachfolgende Schaltsequenz verwendet, bei der alle 9 LED′s nahezu gleich häufig eingeschaltet werden. Zugleich ist die thermische Belastung für alle LED′s ausgeglichen.In Figure 4, nine stages are used. To generate the bell-shaped pulse shape, two transmission stages are activated at time a and four at time b. The maximum amount of light is reached at the apex d and e of the pulse with all nine transmitters. Which stage is controlled has no influence on the pulse shape of the transmission signal, since only the sum of the connected transmitters is decisive. However, in order to achieve a balanced load on the individual LEDs, which is desirable for reasons of aging, the following switching sequence is used, in which all 9 LEDs are switched on almost equally frequently. At the same time, the thermal load for all LEDs is balanced.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |