CH632884A5 - Duplexe mikrowellenfunkanlage. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine duplexe Mikrowellenfunkanlage zur Übertragung analoger und digitaler Daten zwischen sich längs vorgegebener Strecken bewegenden Sende-Empfangsstationen und längs dieser Strecken in vorgegebenen Abständen angeordneten, in beiden Streckenrichtungen wirksamen Sende-Empfangsstationen, bei welcher Mikrowellenfunkanlage die Stationen einer Strecke mit einer zentralen Sende-Empfangsstation in Verbindung stehen, sowie auf ein Verfahren zur Stabilisierung des Mikrowellenoszillators im Sendezweig einer Sende-Empfangseinrichtung.

Funkanlagen dieser Art kommt besondere Bedeutung im Schienenverkehr zu. Die wirtschaftliche Auslastung bestehender Streckennetze und die in diesem Zusammenhang angestrebte hohe Dichte der Zugfolge bei hoher Geschwindigkeit macht einen zunehmenden Daten- und Signalaustausch zwischen den Zügen und den ortsfesten Streckeneinrichtungen erforderlich.

Durch die Literaturstelle «Elektrische Bahnen» 44 (1973), Heft 4, Seiten 83 bis 92 ist es bekannt, den Informationsaustausch mittels eines sogenannten Linienleitersystems durchzuführen. Beim Linienleitersystem werden im Gleisbereich induktive Drahtschleifen verlegt, die als Sende-Empfangsantennen für die orstfesten Stationen wirksam sind. Die Übertragung von Informationen zwischen den beweglichen Sende-Empfangsstationen auf den Fahrzeugen und diesen ortsfesten Stationen erfolgt mittels Frequenzumtastung im Frequenzbereich um 50 kHz, wobei die maximale Übertragungsrate auf etwa 1200 baud begrenzt ist. Abgesehen von dieser Begrenzung des Informationsflusses hat das Linienleitersystem den grossen Nachteil, dass die Drahtschleifen insbesondere bei Gleisoberbauarbeiten in hohem Masse der Gefahr einer mechanischen Beschädigung ausgesetzt sind.

Die Gefahr einer mechanischen Beschädigung lässt sich bei einem solchen Funksystem dadurch verhindern, dass auf die Übertragung mittels induktiver Schleifen verzichtet wird und die miteinander in Verbindung stehenden Stationen ihre Informationen über Funk austauschen. Solche Systeme sind beispielsweise durch die Literaturstelle ETR (Eisenbahntechnische Rundschau), Heft 10,1971, Seiten 402 bis 411 bekannt.

In einer früheren Patentanmeldung (DE-OS 26 44 206) der Patentinhaberin wurde ein gegenüber diesen bekannten Systemen verbessertes Funksystem vorgeschlagen, bei dem die Streckenabschnitte zwischen den aufeinanderliegenden, Hauptstationen darstellenden Stationen durch Zwischenstationen unterteilt sind, die Hauptstationen mit den ihnen abstands-mässig am nächsten kommenden Zwischenstationen zur Übertragungsabschnitten zusammengefasst sind und die Zwischenstationen zusammen mit den ihnen zugehörigen Hauptstationen und die Hauptstationen die Gegenstationen für den Signalaustausch mit den beweglichen Stationen darstellen.

An die Frequenzstabilität des Mikrowellenoszillators werden hohe Forderungen gestellt, resultierend aus der Notwen-

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digkeit einer ökonomischen Ausnutzung des Frequenzbandes zweig verbunden ist. Über Signalkabel (Modulationskabel) 1,2

sowie aus der empfangsseitigen Anforderung an die ZF-Filter- erfolgt die Modulationszuführung an die Relaisstation bzw.

baugruppen bezüglich der ZF-Bandbreiten. bewegliche Station und die Entnahme des empfangenen demo-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine duplexe dulierten Signals. Der Sendezweig enthält einen Mikrowellen-

Mikrowellenfunkanlage der eingangs beschriebenen Art eine 5 Oszillator 3 und eine nachfolgend näher beschriebene Stabiii-

Lösung anzugeben für einen technisch einfachen und auf- sierungsschaltung 4 für dessen Stabilisierung, der Empfangs-

wandsmässig günstigen Aufbau der Sende-Empfangseinrich- zweig enthält einen Mikrowellenmischer 5 (Empfangsmischer)

tung von ortsfesten und beweglichen Stationen. Die Stabilisie- und einen Verstärker und Demodulator 6, in dem die im Mikro-

rung des Mikrowellenoszillators im Sendezweig der Sende- wellenmischer 5 entstehende Zwischenfrequenz aufbereitet

Empfangseinrichtung soll dabei in einfacher Weise durchführ- io wird. Sendezweig und Empfangszweig sind über einen Zirkula-

bar sein. tor 7 zusammengeschaltet, und zwar in der Weise, dass der Sen-

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung in der im kenn- dezweig mit einem Arm des Zirkulators 7 und der Empfangszeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Weise gelöst. zweig mit dem in Durchlassrichtung an übernächster Stelle fol-

In vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes genden Arm verbunden ist. Der dazwischenliegende Arm des ist vorgesehen, dass die in einem Kabel übertragene digitale is Zirkulators 7 ist mit einem 3-dB-Teiler 8 in Hohlleitertechnik Modulation eine frequenzstabile und in der Frequenz umtast- verbunden, an den zwei in ihrer Strahlrichtung um 180° verbare Referenzquelle für den Mikrowellenoszillator derart setzte Hornstrahlantennen 9,10 angeschlossen sind.

steuert, dass dieser im Sendefall im Takte des Modulations- Das im Mikrowellenoszillator 3 erzeugte Signal gelangt signais zwischen zwei diskreten, hochstabilen Frequenzzustän- über den Koppelweg des Zirkulators 7 und über den 3-dB-Tei-

den wechselt und im Empfangsfall einen dritten diskreten Fre- 20 1er 8 zu gleichen Teilen an die beiden Hornantennen 9,10 und quenzzustand annimmt. Im Halbduplexbetrieb wechseln wird in zwei um 180° versetzte Richtungen abgestrahlt. Die im

Sende- und Empfangsfall einander in definierter Folge ab. Im Empfangsfall von den Hornstrahlantennen 9,10 gewonnenen

Vollduplexbetrieb, d. h. bei simultaner Sendung und Empfang, Mikrowellensignale werden ihrerseits im 3-dB-Teiler zusam-werden im Empfangszweig durch die Sendermodulation entste- mengeführt und gelangen über den zweiten Koppelweg des hende unerwünschte Kombinationsfrequenzen in der ZF-Aus- 25 Zirkulators 7 zum Mikrowellenmischer 5.

wertung eliminiert, beispielsweise durch von den binären Über den entkoppelten Zweig des Zirkulators 7 (in der

Modulationssignalen des Senders gesteuerte elektronische Figur mit einem strichlierten Pfeil eingezeichnet) gelangt ein

Umschalter, denen eine Filterbank vorgeschaltet ist, oder mit um die Entkopplungsdämpfung des Zirkulators verringertes

Hilfe eines Hilfsoszillators und eines zusätzlichen Mischers im Signal des Mikrowellenoszillators 3 des Sendezweiges zum

Empfangszweig. 30 Mikrowellenmischer 5 des Empfangszweiges und setzt hier als

Die Stabilisierung des Mikrowellenoszillators erfolgt in Lokaloszillatorsignal das empfangene Mikrowellensignal in ein vorteilhafter Weise dadurch, dass das FM- bzw. FSK-modu- ZF-Signal niederer Frequenz um. Dieses Signal wird nach ent-lierte Signal in einer ersten Phasenvergleichsschaltung mit dem sprechender Verarbeitung in einem FSK-Demodulator (FSK -

um einen entsprechenden Faktor geteilten Signal eines frei- Frequency Shift Keying) in Digitalsignale umgewandelt, die schwingenden, verstimmbaren Oszillators höherer Frequenz 35 über das Modulationskabel zur Hauptstation geleitet werden,

verglichen und über die gebildete Regelspannung der frei- Die bei Vollduplexbetrieb entstehenden unerwünschten schwingende Oszillator nachgeregelt wird, dass das stabili- Kombinationsfrequenzen im Empfangszweig durch die Sender-

sierte Signal des freischwingenden Oszillators in der Frequenz modulation werden durch geeignete Massnahmen in der ZF-

vervielfacht und einem harmonischen Mischer zugeführt wird, Auswertung eliminiert, beispielsweise durch von den binären dem zugleich ein Teil der Leistung des zu stabilisierenden 40 Modulationssignalen des Senders gesteuerte elektronische Mikrowellenoszillators zugeführt wird, dass die im Mischer ent- Umschalter, denen ein Filterband vorgeschaltet ist, oder mit stehende Zwischenfrequenz in einer zweiten Phasenvergleichs- Hilfe eines Hilfsoszillators und zusätzlichen Mischers im Emp-

schaltung mit der Frequenz des freischwingenden stabilisierten fangszweig.

Oszillators verglichen und über die Ausgangsspannung der Im Halbduplexbetrieb tritt bei der Verwendung eines einzi-

zweiten Phasenvergleichsschaltung der Mikrowellenoszillator 45 gen Oszillators für Sende- und Empfangsfall eine nicht nachgeregelt wird. erwünschte Abstrahlung von Sendeleistung im Empfangsfall

Die FM- bzw. FSK-Modulation des von einem Oszillator mit der Lokaloszillatorfrequenz auf. Durch Einführung eines erzeugten Referenzsignals kann dabei in vorteilhafter Weise in dritten Frequenzzustandes (z.B. in der Mitte des Frequenzhu-

der jeweiligen Zwischenstation erfolgen oder es kann das bes), den die nicht sendenden Stationen einnehmen, wird quarzstabile Referenzsignal für die Zwischenstationen eines 50 erreicht, dass die dadurch entstehenden unerwünschten Zwi-

Modulationsabschnittes in der Hauptstation erzeugt und mit schenfrequenzen durch entsprechende ZF-Filterung ausge-

der FM- bzw. FSK-Modulation an die Zwischenstationen über- blendet werden.

tragen werden. Bei der Stabilisierungsschaltung nach Fig. 2, bei der zur

Nachstehend wird die Erfindung anhand von in der Zeich- Veranschaulichung für die Frequenzen der Oszillatoren und die nung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläuert. Es 55 Frequenzteiler bzw. -vervielfacher Zahlenwerte eingetragen zeigen: sind, ist der Modulationseingang mit I bezeichnet. Das von dem

Fig. 1 im Blockschaltbild die Sende-Empfangseinrichtung Oszillator 11 erzeugte Signal (z.B. f = 10 MHz) wird durch Ver-

einer Relaisstelle bzw. beweglichen Station, stimmen der Resonanz eines im Querzweig angeordneten

Fig. 2 und 3 Stabilisierungsschaltungen für den Mikrowellen- Quarzes 13 mittels einer parallel geschalteten Varaktordiode oszillator der Sende-Empfangseinrichtung und eo 12 FM- bzw. FSK-moduliert (FM-Frequenzmodulation, FSK-

Fig. 4 und 5 eine Schaltung zur Verteilung von Modulations- Frequenzumtastung). Das modulierte Signal wird einer Phasenfrequenzen an Relaisstationen und einen Quarzgenerator in Vergleichsschaltung 14 zugeführt und in dieser mit dem um den der Hauptstation bei drei verschiedenen Frequenzen. Faktor 50 in der Frequenz geteilten Signal eines freischwingen-In der Fig. 1 ist die Sende-Empfangseinrichtung einer den, verstimmbaren 500-MHz-Oszillators (VCO) 16 verglichen Relaisstation bzw. beweglichen Station in einem Blockschalt- 65 und der 500-M Hz-Oszillator 16 nachgeregelt. Die Regelspanbild dargestellt. Die Sende-Empfangseinrichtung weist einen nung wird in einem in der Regelschlaufe angeordneten Gleich-Modulationseingang I auf, der mit dem Sendezweig verbunden spannungsverstärker 17 verstärkt. Das quarzstabilisierte ist und einen Modulationsausgang II, der mit dem Empfangs- 500-MHz-Oszillatorsignal wird in einem Vervielfacher 18 um

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den Faktor 7 in der Frequenz vervielfacht und einem harmonischen Mischer 19 zugeführt. Dem harmonischen Mischer 19 wird ausserdem ein mittels eines Richtkopplers 21 von Signal des zu stabilisierenden Mikrowellenoszillators der Frequenz f = 35 GHz ausgekoppelter Teil als Lokaloszillatorsignal zugeführt. Die im harmonischen Mischer 19 entstehende Zwischenfrequenz von etwa 500 MHz wird in einem ZF-Verstärker 22 verstärkt und wiederum phasenstarr mit dem Signal des 500-MHz-Oszillators 16 der ersten Regelschleife in einer zweiten Phasenvergleichsschaltung 23 verglichen. Das in einem Gleichspannungsverstärker 24 verstärkte Ausgangssignal der zweiten Phasenvergleichsschaltung 23 regelt den zu stabilisierenden Mikrowellenoszillator 20 nach.

Fig. 3 zeigt eine Teildarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Stabilisierungsschaltung, bei der, unterschiedlich zu der Ausführungsform nach Fig. 2, das Referenzsignal mit FM- bzw. FSK-Modulation bereits über das Signalkabel 29 (Modulationskabel) zur Relaisstation übertragen wird. Das quarzstabilisierte Referenzsignal wird dabei für alle Relaisstationen eines Modulationsabschnittes in der Hauptstation erzeugt. Der Phasenvergleich findet hier zwischen dem über das Signalkabel übertragenen Signal des 100-kHz-Quarzgene-rators und dem in dem Teiler 26 um den Faktor 5000 in der Frequenz geteilten Signal des freischwingenden, verstimmbaren 500-MHz-Oszillators 27 in der Phasenvergleichsschaltung 25 statt. Mit dem Ausgangssignal der Phasenvergleichsschaltung 25 wird der 500-MHz-Oszillator 27 über den Gleichspannungsverstärker 28 nachgeregelt.

Der weitere Aufbau der Stabilisierungsschaltung, beginnend mit der Abzweigung am Ausgang des 500-MHz-Oszillators (Punkt A der Schaltung) entspricht dabei dem strichliert umrandeten Schaltungsteil B von Fig. 2. Hinsichtlich Aufbau der Schaltung und deren Wirkungsweise wird daher auf die betreffenden Teile der Fig. 2 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.

Soll ein Frequenzversatz mehrerer Relaisstationen gegeben sein (Staggering), dann werden entsprechend viele Modulationsfrequenzen übertragen und durch entsprechende Filter von der jeweiligen Relaisstation ausgefiltert. Eine für diesen 5 Fall vorgesehene Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt. Die Modulationsfrequenzen für drei Relaisstationen RS1, RS2, RS3 werden über ein Signalkabel 30 (Modulationskabel) übertragen. Jede Relaisstation RS1, RS2, RS3 enthält in ihrem Eingangszweig ein Filter 31,32,33, die im vorliegenden Falle auf die Fre-io quenzen 50 kHz, 100 kHz und 200 kHz abgestimmt sind. In einem den Filtern jeweils nachgeschalteten Vorteiler 34,35,36 werden die drei verschiedenen Modulationsfrequenzen bis in die 50-kHz-Lage vorgeteilt, wobei sich hier die Frequenzen um den Mikrowellenfrequenzversatz, geteilt durch den Vervielfa-15 chungsgrad der Stabilisierungsschaltung, unterscheiden. Der Aufbau der Stabilisierungsschaltungen für den Mikrowellenoszillator der Sende-Empfangseinrichtung der einzelnen Relaisstationen entspricht dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau. Der Übersichtlichkeit wegen ist hierbei in jeder Relaisstation 20 RS1, RS2, RS3 lediglich eine Regelschleife mit der ersten Phasenvergleichsschaltung 37,38,39 sowie dem 500-MHz-Oszilla-tor 43,44,45 und dem Frequenzteiler 40,41,42 dargestellt.

Fig. 5 zeigt den Quarzgenerator in der Hauptstation bei drei verschiedenen Frequenzen. Jeder Zweig enthält dabei 25 einen 10-MHz-Oszillator 46,47,48 mit einem Quarz 49,50,51 und einer Varaktordiode 52,53,54 im Querzweig sowie einen den lO-MHz-Oszillatoren nachgeschalteten Vorteiler 55,56,57, in denen das FM- bzw. FSK-modulierte Signal im Verhältnis 1:200,1:100,1:50 vorgeteilt wird. Die drei Ausgangssignale 50 30 kHz, 100 kHz, 200 kHz werden über ein gemeinsames Modulationskabel 30 den einzelnen Relaisstationen zugeführt und in diesen, wie in Fig. 4 dargestellt und vorstehend beschrieben, weiter verarbeitet. Die verschiedenfrequenten Relaisstationen können dabei selbstverständlich auch verschieden moduliert 35 werden.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

632884 PATENTANSPRÜCHE

1. Duplexe Mikrowellenfunkanlage zur Übertragung analoger und digitaler Daten zwischen sich längs vorgegebener Strecken bewegenden Sende-Empfangsstationen und längs dieser Strecken in vorgegebenen Abständen angeordneten, in bei- 3 den Streckenrichtungen wirksamen Sende-Empfangsstationen, bei welcher Mikrowellenfunkanlage die Stationen einer Strecke mit einer zentralen Sende-Empfangsstation in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen und/oder ortsfesten Stationen einen Sendezweig mit einem '<> Modulationseingang (I) und einem für den Sende- und Empfangszweig gemeinsamen Mikrowellenoszillator (3,20) und einen Empfangszweig mit einem Mikrowellenmischer (5),

einem Demodulator (6) und einem Modulationsausgang (II) aufweisen, dass Sende- und Empfangszweig an einen Zirkulator (7) 15 angeschaltet sind, an dessen zwischen dem mit dem Sendezweig und dem mit dem Empfangszweig verbundenen Arm liegenden dritten Arm ein 3-dB-Koppler (8) angeschaltet ist, an den zwei in ihrer Strahlrichtung um 180° versetzte Antennen (9,

10) angeschlossen sind, dass im Sendezweig eine Stabilisie- 20 rungsschaltung (4) für den Mikrowellenoszillator (3,20) vorgesehen ist und dass ein um die Entkopplungsdämpfung des Zir-kulators (7) verringertes Signal des Mikrowellenoszillators (3, 20).über den entkoppelten Zweig des Zirkulators (7) dem Mikrowellenmischer (5) im Empfangszweig zugeführt und mit 25 dem Empfangssignal in die Zwischenfrequenz umgesetzt wird, die einem nachfolgenden Verstärker und Demodulator (6) zugeführt ist, dessen Ausgangssignale über ein Signalkabel (2) zur Hauptstation geleitet werden.

2. Mikrowellenfunkanlage nach Anspruch 1, dadurch 30 gekennzeichnet, dass die in einem Kabel übertragene digitale Modulation eine frequenzstabile und in der Frequenz umtastbare Referenzquelle für den Mikrowellenoszillator (3,20) derart steuert, dass diese im Sendefall im Takt des Modulationssignals zwischen zwei diskreten, hochstabilen Frequenzzustän- 35 den wechselt und im Empfangsteil einen dritten diskreten Frequenzzustand annimmt.

3. Mikrowellenfunkanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichzeitigem Sende- und Empfangsbetrieb im Empfangszweig durch die Sendermodulation entste- 40 hende unerwünschte Kombinationsfrequenzen in der ZF-Aus-wertung eliminiert werden.

4. Mikrowellenfunkanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eliminierung der unerwünschten Kombinationsfrequenzen von den binären Modulationssigna- 45 len des Senders gesteuerte elektronische Umschalter vorgesehen sind.

5. Mikrowellenfunkanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eliminierung der unerwünschten Kombinationsfrequenzen ein Hilfsoszillator und ein zusätzli- so eher Mischer vorgesehen sind.

6. Verfahren zum Betrieb einer Mikrowellenfunkanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

dass zur Stabilisierung des Mikrowellenoszillators im Sendezweig der Sende-Empfangsstation das frequenzmodulierte 55 bzw. frequenzumgetastete Signal als Referenzsignal für den Mikrowellenoszillator (11) in einer ersten Phasenvergleichsschaltung (14) mit dem um einen entsprechenden Faktor geteilten Signal eines freischwingenden, verstimmbaren Oszillators (16) höherer Frequenz verglichen und über die gebildete Regel- 60 Spannung der freischwingende Oszillator (16) nachgeregelt wird, dass das stabilisierte Signal des freischwingenden Oszillators (16) in der Frequenz vervielfacht und einem harmonischen Mischer (19) zugeführt wird, dem zugleich ein Teil der Leistung des zu stabilisierenden Mikrowellenoszillators (20) zugeführt 65 wird, dass die im Mischer (19) entstehende Zwischenfrequenz in einer zweiten Phasenvergleichsschaltung (23) mit der Frequenz des freischwingenden stabilisierten Oszillators (16) verglichen und über die Ausgangsspannung der zweiten Phasenvergleichsschaltung (23) der Mikrowellenoszillator (20) nachgeregelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzmodulation bzw. Frequenzumtastung des von einem Oszillator erzeugten Referenzsignals in der jeweiligen Zwischenstation (RS1, RS2, RS3) erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das quarzstabilisierte Referenzsignal für die Zwischenstationen eines Modulationsabschnittes in der Hauptstation erzeugt und mittels Frequenzmodulation bzw. Frequenzumtastung an die Zwischenstation übertragen wird.