DE19509141A1 - Wireless digital data exchange system esp. in mobile communication system - Google Patents

Wireless digital data exchange system esp. in mobile communication system

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Abstract

The method and arrangement provides wireless transmission of digital data or information esp. in mobile communications, using an electromagnetically modulated carrier. The carrier is pulse modulated. In the modulation process, for each bit of data (D1) a pulse pair or two pulses is generated. The pulses precede or are delayed relative to the unmodulated sub-carrier clock by the same, constant amount. With a digital 1 of the data signal (D1), the two pulses of the pulse pair have the same offset polarity. With a digital 0 of the signal (D1), the two pulses have different polarities. The polarities are varied between two successive pulse pairs such that the offsets in time are balanced out over the total transmission time. In a preferred arrangement, a time step of time fs is started in the receiver with the first pulse of the pulse pair. After this time has expired, it is checked whether the second pulse of the pair matches. If so, the output signal (D5) has a binary value 1. If not, it has a binary value 0.

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 Verkehrs-mitteln und mit dem zunehmenden bidirektionalen Transfer von Informationen zu den Verkehrsteilnehmern werden immer leistungsfähigere drahtlose Übertragungstechniken benötigt. 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.The invention relates to a method and an arrangement for the contactless exchange of data between two devices, one of which is preferably movable. For increasing steering of means of transport and with the increasing bidirectional transfer of information to the Road users need ever more powerful wireless transmission technologies. Depending on the requirements, radio, microwave and light transmission technologies are already in use. For transmission at close range with a geometrically defined coupling area Transmission systems with light, preferably in the infrared range, have proven themselves as carriers. Since at Driving the vehicle past the stationary station achieves a longest possible coupling time the opening angles of both the transmitter and the receiver are relatively large. Out for this reason, LED's (light-emitting diodes) have prevailed as light sources since they in addition to the easy handling and the low price, a large radiation range exhibit. The controlling transmitter output stage usually consists of a switching transistor is either fully controlled or completely blocked. These simple circuits grant the minimal heating of the output stages and are simple in construction.

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 limitation 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 for HF Receivers, for example through optical filters, not possible because of physical reasons only LEDs can be produced with certain light wavelengths. The LED's produce light in one 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 is modulated onto a so-called subcarrier. The the signal thus formed then modulates the actual carrier, ie the infrared light. After Conversion of the light signals into electrical signals is then selected in the subcarrier receiver. This reduces interference from other transmitters with a subcarrier different frequency.

Ein derartiges Übertragungsverfahren ist bei Leitsystemen im öffentlichen Nahverkehr genormt. In der Patentschrift 3915137 ist dieses Verfahren in verbesserter Form beschrieben. Gegenüber Übertragungsverfahren ohne Subträger, mit der sogenannten Baisbandmodulation, ist dieses Übertragungsverfahren schon deutlich günstiger in seiner Störunanfälligkeit.Such a transmission method is standardized for control systems in local public transport. In Patent 3915137 describes this method in an improved form. Across from This is the transmission method without subcarrier, with the so-called baseband modulation Transmission methods are much cheaper in terms of their susceptibility 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. Damit wird auch bei schmalbandigen Empfängern die Selektion des Störsignales verschlechtert.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 a reduced Frequency ratio of subcarrier frequency to data transmission frequency can be achieved. Of the Receiver must then be designed to be very broadband and thus loses its ability to Selection of interference signals. A disadvantage of the above subcarrier modulation is also the large one Harmonic range of the subcarrier signal caused by the pulse shape. So that too with narrow-band receivers, the selection of the interference signal deteriorates.

Die nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß trotz hoher Datenrate und leistungsgünstiger Schalter-Endstufe einerseits die Störsicherheit durch schmalbandige Empfangssignalverarbeitung sehr groß ist und außerdem die Erzeugung von Störsignalen für andere Systeme gering ist.The arrangement according to the invention described below has the advantage that despite high Data rate and low-cost switch output stage on the one hand the interference immunity due to narrowband Receive signal processing is very large and also the generation of interference signals for others Systems is low.

In Bild 1 sind die wichtigsten Komponenten einer unidirektionalen Übertragung dargestellt. Im praktischen Betrieb wird jedoch häufig der bidirektionale Betrieb 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 Emp­ fänger E (24) gelangen. Im Empfänger werden die Lichtsignale in entsprechende elektrische Signale D41 umgesetzt, die nach Umformung in ein Digitalsignal in der 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 operation is often 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 D41 which, after being converted into a digital signal in stage AD ( 26 ), are fed to demodulator DEM ( 23 ) and, in the case of receivers with a continuous data output signal DAB, to 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 f S 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 oder eine geradlinige Anzahl von Impulsen 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 Impulse des Impulspaares dieselbe Versatzrichtung +Δp oder -Δp, wohingegen bei einer binären 0 die Versatzrichtung wechselt. Die Versatzrichtung wechselt außerdem nach jedem Impulspaar, also zwischen dem zweiten Impuls eines Impulspaares (Ende des Bits) und dem ersten Impuls des nachfolgenden Impulspaares (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 Impulse eines Impulspaares. In Bild 3 ist das Lichtsignal D3 und das daraus resultierende Empfangssignal D4 dargestellt. Nach Umformung des Signales D4 in ein binäres Signal D41 (Schmittrigger) wird der Abstand der Impulse eines Impulspaares durch die feste Zeit 1/fS des Signales D42 überprüft. Entspricht der Impulsabstand 1/fS handelt es sich um eine binäre 1, bei zu großem oder zu kleinem Abstand handelt es sich um eine binäre 0.The modulation method according to the invention consists in generating two or a straight line number of pulses in the modulated signal D2 synchronously 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 up. In the case of a binary 1 in the signal D1, the two associated pulses of the pair of pulses have the same offset direction + Δp or -Δp, whereas with a binary 0 the offset direction changes. The offset direction also changes after each pair of pulses, i.e. between the second pulse of a pair of pulses (end of the bit) and the first pulse of the subsequent pair of pulses (beginning of the next bits), so that the pulse sequence for the binary sequence of 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 pulses of a pair of pulses. Figure 3 shows the light signal D3 and the resulting receive signal D4. After the signal D4 has been converted into a binary signal D41 (Schmit trigger), the interval between the pulses of a pair of pulses is checked by the fixed time 1 / f S of the signal D42. If the pulse distance 1 / f S corresponds to a binary 1, if the distance is too large or too small, it is a binary 0.

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 Subträger­ periodendauer 1/fS und zeitlichem Versatz ΔP kann das System an 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. By selecting the ratio n of subcarrier period 1 / f S and time offset ΔP, the system can be adapted to different requirements. 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 Erweiterung des Verfahrens die Sendeimpulse wie in Bild 4 dargestellt, in "Glockenimpulse" mit geringem Oberwellengehalt umgeformt.Although the described modulation method ensures low-interference operation of your own system, the steep edges of the transmitter pulses generate harmonics that can interfere with other systems. For this reason, in an extension 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 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 when a corresponding number of 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.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.

Welche Stufe angesteuert wird, ist ohne Einfluß auf die Impulsform des Sendesignals, da ja nur die Summe der durchgeschalteten Sender entscheidet. Um jedoch eine ausgeglichene Belastung der ein­ zelnen 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.Which stage is controlled has no influence on the pulse shape of the transmission signal, since only that The sum of the channels switched through decides. However, in order to balance the burden to achieve individual LEDs, which is desirable for reasons of aging, will be the following Switching sequence used in which all 9 LEDs are switched on almost equally often. At the same time the thermal load for all LEDs is balanced.

Claims (6)

1. Verfahren und Anordnung zum drahtlosen Übertragen von digitalen Daten oder Informationen vorzugsweise im mobilen Bereich mit Hilfe eines elektromagnetischen modulierten Trägers, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger impulsmoduliert wird und daß beim Modulationsverfahren pro Bit der Daten D1 ein Impulspaar aus zwei Impulsen erzeugt wird die gegenüber dem unmodulierten Subträgertakt T zeitlich um denselben gleichbleibenden Betrag Δp voreilen oder nacheilen und daß bei einer digitalen 1 des Signales D1 die beiden Impulse des Impulspaares die gleiche Versatzpolari­ tät und daß bei einer digitalen 0 die beiden Impulse eine unterschiedliche Versatzpolarität aufweisen und außerdem zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulspaaren die Versatzpolarität geändert wird, so daß sich über die gesamte Sendedauer die einzelnen zeitlichen Versätze ausgleichen.1. The method and arrangement for wireless transmission of digital data or information preferably in the mobile area with the aid of an electromagnetic modulated carrier, characterized in that the carrier is pulse-modulated and that in the modulation method per bit of the data D1, a pair of pulses is generated from two pulses opposite Lead or lag the unmodulated subcarrier clock T by the same constant amount Δp and that with a digital 1 of the signal D1 the two pulses of the pair of pulses have the same offset polarity and that with a digital 0 the two pulses have a different offset polarity and also between two successive pairs of pulses the offset polarity is changed so that the individual time offsets compensate for one another over the entire duration of the transmission. 2. Verfahren und Anordnung zur Auswertung des im Anspruch 1 beschriebenen Modulationssignales dadurch gekennzeichnet, daß im Empfänger mit dem ersten Impuls des Impulspaares eine Zeitstufe mit der Zeit fS gestartet wird nach deren Ablauf geprüft wird ob der zweite Impuls des Impulspaares konzidiert und daß bei Konzidenz des Signales D5 den binären Wert 1 und bei fehlender Konzidenz D5 den binären Wert 0 erhält.2. The method and arrangement for evaluating the modulation signal described in claim 1, characterized in that a time step with the time f S is started in the receiver with the first pulse of the pair of pulses receives the binary value 1 of the signal D5 and the binary value 0 if there is no confidence D5. 3. Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Impulsen nach dem Modulationsverfahren des Anspruches, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Lichtimpulses D3 durch die Addition der Lichtmengen von mehreren Sendestufen gebildet wird die zeitlich nacheinander und getrennt angesteuert werden.3. Method and arrangement for generating pulses according to the modulation method of the Claim, characterized in that the amplitude of the light pulse D3 by the addition The amount of light from several transmission stages is formed one after the other and separated can be controlled. 4. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Sendestufen in der zeitlichen Abfolge derart angesteuert werden, daß sich der Amplitudenverlauf des Lichtsignales D3 weitgehend der oberwellenarmen Glockenform (COS²) annähert.4. The method and arrangement according to claim 3, characterized in that the individual transmission stages are controlled in the time sequence in such a way that the amplitude profile of the light signal D3 largely approximates the low-harmonic bell shape (COS²). 5. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Sendestufen in der zeitlichen Abfolge derart angesteuert werden, daß die verschiedenen Stufen nahezu gleich oft senden wodurch eine gleichmäßige und reduzierte Alterung der LED′s und eine günstige Wärmeab­ fuhr erreicht wird.5. The method and arrangement according to claim 4, characterized in that the individual transmission stages are controlled in the time sequence in such a way that the different stages are almost equally often send thereby a uniform and reduced aging of the LED's and a favorable heat drove is reached. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle zweier Impulse pro Bit des Signales D1 zwei Impulspakete erzeugt werden die nach denselben Regeln zeitlich versetzt werden.6. The method according to claim 1, characterized in that instead of two pulses per bit of the signal D1 two pulse packets are generated which are shifted in time according to the same rules.
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