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Die Erfindung betrifft ein System zur berührungslosen Übertragung von Information.
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Aus der Veröffentlichung ,Spectral spreading by linear block codes for OFDM in Powerline Communications' 7th International OFDM-Workshop 2002 ist ein Verfahren zur Informationsübertragung bekannt, bei dem via OFDM, also ein orthogonal frequency-division multiplexing-Verfahren angewendet wird. Vorteilig ist dabei, dass auch bei ausgeprägten Störungen Daten von einem Sender zu einem Empfänger mit einer geringen Fehlerrate übertragen werden. Somit eignen sich solche Verfahren zur Datenübertragung auf industriellen Starkstromkabeln.
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Aus der Veröffentlichung ,Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM', IEEE Transactions on Communications, Vol. 45 No. 12, December 1997, ist ein OFDM-Verfahren gezeigt, bei dem der Datenstrom einer inversen Fouriertransformation IFFT unterworfen wird und danach in einen seriellen Datenstrom umgewandelt wird, der nach Digital-Analogwandelung und Filterung über einen Sender gesendet wird auf mindestens einem Frequenzband. Der Empfänger führt die empfangenen Signale einem Analog-Digital-Wandler zu, dessen Ausgangsdatenstrom in parallele Daten umgewandelt wird und einer Fouriertransformation FFT zugeführt wird. Notwendig für eine korrekte FFT ist ein Synchronisationszeitpunkt. Dazu wird im Sender anfangs eine bestimmte Folge von Bitmustern an den Eingang der IFFT gelegt. Diese Folge kann auch als Pseudonoise Training Codes bezeichnet werden. Im Empfänger wird der empfangene, noch serielle Datenstrom von einem Teil des Empfängers auf Korrelation detektiert, wobei allerdings ein hohe Rechenleistung und entsprechende Hardware benötigt wird. Sobald die gesuchte Korrelation festgestellt wird, ist der Anfangszeitpunkt detektiert und es kann die FFT gestartet werden mit dem auf diese Weise bestimmten Synchronisationssignal für die FFT insbesondere nach einer vorgebbaren Verzögerungszeit.
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Aus der Veröffentlichung ,Low-Complex Frame Synchronization in OFDM Systems' von Jan-Jaap van de Beck, Magnus Sandell, Michael Isaksson und Per Ola Börjesson ist ein OFDM Verfahren bekannt. Dort wird das Synchronisationssignal allerdings dadurch bestimmt, dass der Datenstrom einer Log-Likelihood Funktion zugeführt wird, die den Anfangszeitpunkt bestimmbar macht. Dabei ist allerdings ein hoher Rechenaufwand und entsprechende Hardware notwendig.
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Aus der
DE 100 53 373 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Energieübertragung von einem stationären auf einen beweglichen Teil bekannt. Dabei ist eine Einspeisung mit einem Anpasssteller verbunden, wobei der Anpasssteller einen aktiv anzusteuernden Schalter
25 und die zugehörige Ansteuerelektronik mit Regelelektronik aufweist. Dabei ist eine Informationsübertragung nicht vorgesehen.
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Aus der
DE 44 46 779 C2 ist ebenfalls eine solche Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Energieübertragung bekannt, wobei allerdings ein U-förmiger Ferritkern verwendet werden muss.
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Aus der
DE 196 53 522 A1 ist ein Verfahren zum drahtlosen Übertragen von Energie und Daten bekannt, bei dem die Datenübertragung außerhalb der Schaltflanken des Trägersignals vorgenommen wird. In diesem Zeitbereich können jedoch je nach Art der Anlage trotzdem vereinzelt Störspannungspulse auftreten, die dann zu fehlerhafter Datenübertragung führen.
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Aus der
DE 42 40 238 C2 ist eine aufwendige und komplexe Einrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung für Einspulen- und Zweispulensysteme bekannt, bei der von mehreren Spulen einer unbeweglichen Mikrostation nur eine begrenzte Phasendifferenzen übertragen wird.
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Aus der
DE 103 49 242 B3 ist ein Vorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Übertragung elektrischer Leistung und Information bekannt, bei dem Synchronisationspulse verwendet werden, die nur in Zeitabschnitten gesendet werden, in welchen der Strom im Primärleiter der Anordnung sehr klein ist.
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Aus der Schrift
- [1] R. Van Nee, R. Prasad „OFDM for Wireless Multimedia Communications” Artech House, Boston. (Seite 119–Seite 150)
- – Clipping and Peak Windowing Verfahren
- – Peak Cancellation Verfahren
- – Codierungsverfahren
und der Schrift
- [4] J. Armstrong „New OFDM Peak-to-Average Power Reduction Scheme” 2001 IEEE
- – Clipping Verfahren
sind Verfahren mit Peak Windowing bekannt, die aber zur Verzerrung bei OFDM-Signalen führen. Nachteiligerweise führt dies zur Selbstinterferenz und schlechterem BER.
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Aus den Schriften [1],
- [2] M. Tan, J. Cheng and Y. Bar-Ness „OFDM Peak Power Reduction by a NOVEL Coding Scheme with Threshold Control” 2001 IEEE
- – Coding Scheme with Threshold Control
und
- [5] Y. Zhang, A. Yongacoglu, J. Chouinard, L. Zhang ”OFDM Peak Power Reduction by Sub-Block-Coding and its extended Versions” 1999 IEEE
- – Sub-Block-Coding
sind Verfahren mit Codierung bekannt, die allerdings eine langsamere Übertragungsgeschwindigkeiten der Daten zur Folge haben, insbesondere also eine geringere Datenübertragungsrate.
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Aus der Schrift
- [3] B. S. Krongold, D. L. Jones „An Active-Set Approach for OFDM PAR Reduction via Tone Reservation” IEEE Transactions on Signal Processing, VOL, 52. NO, 2, February 2004
- – Tone Reservation
ist ein Verfahren mit Tone Reservation bekannt, das allerdings einen aufwendigen und komplizierten Rechenalgorithmus erfordert uns somit zu hohen Kosten führt.
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Aus der
DE 196 35 813 A1 ist ein Verfahren zur Reduktion des Spitzenwertfaktors bei digitalen Übertragungsverfahren bekannt, bei dem aus einer Menge informationsäquivalenter Sequenzen eine bezüglich der Spannungsspitze günstige Sequenz ausgewählt wird. Es ist also Redundanz vorhanden.
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Aus der
DE 100 53 373 A1 ist ein Verfahren zur berührungslosen Energieübertragung über eine als Primärleiter ausgestaltete Versorgungsleitung bekannt.
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Aus der
US 2005/0089109 A1 ist ein OFDM-Übertragungsverfahren bekannt, bei dem eine PAPR Reduktion ausgeführt wird.
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Aus der
US 2004/0120413 A1 ist ein Mehrträger-Übertragungsverfahren bekannt, bei dem Subkanäle verwendet werden.
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Aus der
US 2003/0067866 A1 ist ein Verfahren zur Reduktion der Spitzenleistung bei einem OFDM Verfahren bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Übertragung elektrischer Leistung und Information weiterzubilden, wobei Information in kostengünstiger Weise mit geringen Kosten für die Hardware übertragbar sein soll.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem System nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem System sind, dass es zur berührungslosen Übertragung von digital codierter Information vorgesehen ist,
wobei die Information in mindestens einer Gruppe von Subkanälen eines Frequenzkanals übertragen wird vom Sender zum Empfänger,
wobei jedem Subkanal ein Wert für Phasenverschiebung zugeordnet wird, die in mindestens einem Subkanal unterschiedlich ist zum Wert für Phasenverschiebung in einem anderen Subkanal.
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Von Vorteil ist dabei, dass die Information digital übertragbar ist, also in Form von Datensätzen, die Bits umfassen. Jedem Bit ist also eine Frequenz, die zum jeweiligen Subkanal gehört, zuordenbar. Die Bits sind also im Frequenzraum voneinander getrennt übertragbar, was die Fehlerrate verbessert. Insbesondere ist dabei das On-Off-Keying anwendbar, was besonders einfach und kostengünstig zu realisieren ist. Die Subkanäle sind in einer oder mehreren Gruppen zusammenfassbar. Somit sind die Phasenverschiebungen in den Gruppen jeweils getrennt optimierbar, was den Rechenaufwand verringert.
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Wesentlicher Vorteil der Erfindung ist dabei, dass das PAR im Zeitlichen Verlauf der Signalspannungen verringerbar ist durch geeignete Wahl der Phasenverschiebungen. Somit ist der Endstufentreiber, also die Leistungsendstufe des Senders für die Informationsübertragung optimal ausnutzbar. Denn der Auslastungsgrad ist gleichmäßiger als bei Phasenverschiebung 0 für alle Subkanäle. Somit sind die Leistungshalbleiter besser ausnutzbar und die Kosten für die Hardware verringerbar.
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Insbesondere umfasst jeder Subkanal ein Ganzzahliges Vielfaches n·f0 einer Grundfrequenz f0, wobei die n eineindeutig dem jeweiligen Subkanal zugeordnet ist. Auf diese Weise ist der Abstand der Subkanäle voneinander im Frequenzraum genügend gut.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Zuordnung der Phasenverschiebung vor Beginn der Übertragung der Information bestimmt, insbesondere also einmalig und anfänglich bei Inbetriebnahme oder Konstruktion. Somit ist kein Rechenaufwand für die Bestimmung der Phasen während des Betriebes notwendig.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Werte der Phasenverschiebung 0°, 90°, 180° oder 270°. Vorteiligerweise ist dies besonders einfach realisierbar, indem die Amplituden im Frequenzraum von real auf imaginär oder mit einem Vorzeichenwechsel versehen werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Werte für Phasenverschiebung derart gewählt, dass das PAR für alle zu übertragenden Bitmuster zumindest innerhalb einer Gruppe minimal oder zumindest ein lokales Minimum über dem Raum der Bitmuster annimmt. Somit ist durch anfängliche einmalige Berechnung und nachfolgende Implementierung der Werte die Auslastung der Leistungsendstufe verbesserbar. Ein lokales Minimum zu finden ist mit deutlich weniger Rechenaufwand zu realisieren. Vorteiligerweise ist auch ein solches Minimum verwendbar. Dabei ist das PAR auf die Signaldauer des zu übertragenden Bitmusters bezogen. Dies bedeutet, dass das Verhältnis des Peakwerts, also betragsmäßig höchste Wert des Signals während der Signaldauer, zum Durchschnittswert des Signals über die Signaldauer berechnet wird. Während dieser Signaldauer wird ein Bitmuster übertragen.
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Alternativ ist wesentliches Merkmal der Erfindung bei dem Verfahren, dass es zur berührungslosen Übertragung elektrischer Leistung und Information von einem ersten Teil auf ein relativ zum ersten Teil bewegliches Teil vorsehbar ist,
wobei das erste Teil einen Primärleiter umfasst, durch den ein Wechselstrom mit einer ersten Frequenz geleitet wird,
wobei der bewegliche Teil eine Sekundärwicklung umfasst, die an den Primärleiter elektromagnetisch gekoppelt ist,
wobei auf den Primärleiter zusätzlich Signale mit einer höheren Frequenz als die erste Frequenz aufgekoppelt oder aufmoduliert werden,
wobei die Information digital codiert ist,
wobei die Information in mindestens einer Gruppe von Subkanälen eines Frequenzkanals übertragen wird,
wobei jedem Subkanal ein Wert für Phasenverschiebung zugeordnet wird, die in mindestens einem Subkanal unterschiedlich ist zum Wert für Phasenverschiebung in einem anderen Subkanal.
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Vorteiligerweise ist die Endstufe für Leistungs- und für Energie-Übertragung nun optimal ausnutzbar. Außerdem können nicht nur die Leistungshalbleiter sondern auch die weiter notwendigen Komponenten, wie Antennenteile und dergleichen, auf die bessere Ausnutzung hin dimensioniert werden. Die Kosten für die Hardware sind somit erheblich verringerbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden in Zeitbereichen, innerhalb derer der Strom im Primärleiter kleiner ist als ein kritischer Stromwert I_krit, ein oder mehrere Synchronisationspulse zusätzlich auf den Primärleiter aufgekoppelt oder aufmoduliert.
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Von Vorteil ist bei dem Verfahren, dass Daten mittels Aufmodulation auf den Primärleiter übertragbar sind und ein besonders einfaches und wenig aufwendiges Synchronisationsverfahren anwendbar ist. Insbesondere ist die Länge der Frame-Prefix verringerbar. Im Burst-Mode übertragene Daten weisen einen höhere Nutzzeit auf, weil die Verzugszeit verringert ist. Der notwendige Aufwand an Hardware ist gering und daher auch kostengünstig vorsehbar.
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Wesentliche Merkmale bei der Vorrichtung sind, dass sie zur berührungslosen Übertragung elektrischer Leistung und Information von einem ersten Teil auf ein relativ zum ersten Teil bewegliches Teil vorsehbar ist,
wobei das erste Teil einen Primärleiter umfasst, der an eine Wechselspannungs- oder Wechselstromquelle mit einer ersten Frequenz angeschlossen ist,
wobei der bewegliche Teil eine Sekundärwicklung umfasst, die an den Primärleiter elektromagnetisch gekoppelt ist,
wobei auf den Primärleiter zusätzlich Signale mit einer höheren Frequenz als die erste Frequenz aufgekoppelt oder aufmoduliert sind,
wobei die Information digital codiert ist,
wobei die Information in mindestens einer Gruppe von Subkanälen eines Frequenzkanals übertragen wird,
wobei jedem Subkanal ein Wert für Phasenverschiebung zugeordnet wird, die in mindestens einem Subkanal unterschiedlich ist zum Wert für Phasenverschiebung in einem anderen Subkanal.
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Vorteilig ist dabei, dass Mittel zur Bestimmung der Werte von Phasenverschiebung zur Erreichung eines geringen PAR vorhanden sind. Somit sind diese Werte von diesen Mitteln übertragbar an die elektronische Schaltung, die auch die Mittel zum Senden von Information umfasst. Dort werden dann die Werte eingerechnet von den Mitteln zur Generierung der zeitlichen Signalverläufe für jeden Subkanal. Auf diese Weise sind die Teile, insbesondere die Leistungshalbleiter der Treiber der Endstufe optimal ausnutzbar. Dadurch sind die Kosten für die Hardware verringerbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind in Zeitbereichen, innerhalb derer der Werte des Stromes im Primärleiter kleiner ist als ein kritischer Stromwert I_krit, ein oder mehrere Synchronisationspulse zusätzlich auf den Primärleiter aufgekoppelt oder aufmoduliert.
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Von Vorteil ist bei der Erfindung, dass Daten mittels Aufmodulation auf den Primärleiter übertragbar sind und ein besonders einfaches und wenig aufwendiges Synchronisationsverfahren anwendbar ist. Insbesondere ist die Länge der Frame-Prefix verringerbar. Im Burst-Mode übertragene Daten weisen einen höhere Nutzzeit auf, weil die Verzugszeit verringert ist. Der notwendige Aufwand an Hardware ist gering und daher auch kostengünstig vorsehbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen das bewegliche Teil und das erste Teil jeweils mindestens einen Empfänger oder einen Sender, wobei der Sender eine Transformationseinheit umfasst, die mit einem Synchronisationssignal frei gebbar ist, insbesondere nach einer vorgebbaren Verzögerungszeit, und der Empfänger eine entsprechende Rücktransformationseinheit umfasst, die mit einem entsprechenden empfangenen Synchronisationssignal frei gebbar ist, insbesondere nach einer vorgebbaren Verzögerungszeit, wobei das Synchronisationssignal aus einem oder mehreren Synchronisationspulsen bestimmbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass beliebige Transformationen verwendbar sind, die zur korrekten Durchführung ein Synchronisationssignal benötigen. Denn nach Erhalt des Synchronisationssignals kann die Transformation beziehungsweise Rücktransformation gestartet werden, insbesondere nach einer zusätzlichen vorgebbaren Verzögerungszeit. Somit führt die Rücktransformation der transformierten Daten wieder zum ursprünglichen Datenstrom. Es sind also auch alle Transformationen verwendbar, die einen Zeit-Nullpunkt zur korrekten Hin- und Rücktransformation benötigen.
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Insbesondere ist die Transformation eine FFT oder IFFT, gehört also zur Klasse der Fouriertransformationen. Von Vorteil ist dabei, dass ein bekanntes Transformationsverfahren verwendbar und somit kostengünstig ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Sender mindestens einen Parallel-Seriell-Wandler und einen Digital-Analog-Wandler und der Empfänger umfasst mindestens einen Seriell-Parallel-Wandler und einen Analog-Digital-Wandler. Von Vorteil ist dabei, dass bekannte Standard-Bauteile notwendig sind und somit keine kostspieligen Sonderteile angefertigt werden müssen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Sender und Empfänger zur Durchführung eines OFDM-Datenübertragungs-Verfahrens vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass eine hohe Datenübertragungsrate erzielbar ist mit einer geringen Fehlerrate, obwohl auf der Übertragungsstrecke elektrische Leistung übertragen wird und die dabei auftretenden Störspannungen oder Störströme sehr groß sein können.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch gezeichnet. Dabei besteht das System aus einem stationären Teil, umfassend eine Einspeisevorrichtung 1 und einem oder mehreren beweglichen Teilen 2.
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Das System ist zur Energieübertragung in bekannter Weise aufgebaut, also wie in der Schrift
DE 100 53 373 A1 , wie in der Schrift
DE 197 35 624 C1 , wie in der Schrift
DE 44 46 779 C2 oder den dort zitierten Schriften beschrieben. Die Erfindung weist also in entsprechenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen zusätzlich auch die Merkmale dieser Schriften auf. Bei solchen Systemen fließt in einem Primärleiter ein Strom
4. Das bewegliche Teil
2 weist mindestens eine Spule, also Übertragerkopf oder dergleichen, auf, wodurch eine induktive Kopplung an den Primärleiter herstellbar ist. Auf diese Weise entsteht dann ein Sekundärstrom zur Versorgung des beweglichen Teils
2 des Systems.
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Als Strom 4 wird ein mittelfrequenter Strom, beispielsweise mit etwa 25 kHz, verwendet. Es sind aber auch andere Frequenzen aus dem Mittelfrequenzbereich vorteilhaft.
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Wesentlich ist bei der vorliegenden Erfindung, dass der Primärleiter zum genannten mittelfrequenten Strom zusätzlich Steuersignale oder andere Signale zur Informationsübertragung trägt.
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Bei der Erfindung wird dazu ein Datenstrom mit einer höheren Frequenz, beispielsweise aus dem MHz Bereich, von der stationären Einspeisevorrichtung 1 zusätzlich zu dem für die Energieübertragung vorgesehen mittelfrequenten Strom 4 aufmoduliert. Eine vorteilhafte Aufmodulationsfrequenz hat einen Wert zwischen 0,1 und 10 MHz. Die stationäre Einspeisevorrichtung 1 umfasst dazu zusätzlich einen entsprechenden Sender. Über die induktive Kopplung 3 gelangt dieses höherfrequente Signal aus dem stationären Teil zum beweglichen Teil 2, wo ein entsprechender Empfänger installiert ist. Ebenso können bei Vorhandensein mehrerer beweglicher Teile 2 diese mit solchen Sendern und Aufmodulationseinrichtungen vorgesehen werden und auf diese Weise Datenübertragungen zwischen den beweglichen Teilen 2 ausgeführt werden.
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Beispielhaft ist in 3 und in schematischer Weise ein Sender und ein Empfänger dargestellt. Dabei wird der Datenstrom je nach Subkanalfrequenz gemäß Phasenverschiebungstabelle 30 im komplexen Frequenzraum mit Phasenverschiebungen versehen. Wenn alle Phasenverschiebungswerte Null wären, dann wäre nur ein Realteil im Frequenzraum für alle Bit des Bitmusters vorhanden. Mittels der Phasenverschiebung sind aber auch Imaginäranteile für das jeweilige Bit, also den jeweiligen Subkanal vorgebbar.
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Diese komplex-wertigen Frequenzen werden nun einer inversen Fouriertransformation IFFT unterworfen und danach in einen seriellen Datenstrom umgewandelt. Die zugehörige Vorrichtung ist mit P/S gekennzeichnet. Der P/S erzeugt einen zeitlichen Signalverlauf, der eine zur Grundfrequenz f0 zugehörige Periodendauer andauert. Danach wird das Signal einem Filter zugeführt. Dies ist vorteilig ausführbar, weil die Trägerfrequenz unter 10 MHz liegt.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist das Zumischen einer Trägerfrequenz nötig, wenn die Trägerfrequenz weit über 10 MHz liegt.
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Nach nachfolgender Filterung und Verstärkung wird das entstehende Signal über eine Kopplung auf den Strom 4 aufmoduliert. Ein Detektor 7 überwacht den Strom 4 auf Nulldurchgang oder ein betragsmäßiges Unterschreiten eines kritischen Stromwertes I_krit und generiert dann einen Puls, der ein Start- oder Synchronisationssignal an die IFFT-Vorrichtung weitergibt.
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Im unteren Teil der 3 ist der Empfänger schematisch dargestellt. Dabei wird das empfangene Signal aus dem Sekundärstrom ausgekoppelt oder über eine eigene Kopplung vom Primärleiter herausgeführt. Nach Filterung mit einem Bandpass und Verstärkung wird das Signal einem Analog-Digital-Wandler zugeführt und dann von einer mit S/P gekennzeichneten Vorrichtung in einen parallelen Datenstrom umgewandelt, der mit einer FFT wieder zurücktransformiert wird und dann im komplexen Frequenzraum der Betrag mit der Vorrichtung 31 bestimmt wird, so dass er dem ursprünglichen gesendeten Datenstrom entspricht.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen ist bei höheren Trägerfrequenzen als 10 MHz ein Zumischen in der dem Sender entsprechender Weise vorteilig und bedarf einer entsprechenden Filterung.
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Bei den oben erwähnten Ausführungsbeispielen mit entsprechender Trägerfrequenz entfällt wiederum das Mischen. In der 3 stellt der Detektor 6 des Empfängers den Synchronisationspuls auf dem Primärleiter fest und leitet diesen weiter zum Starten beziehungsweise Synchronisieren der FFT, wobei eine Verzögerungszeit vorgegeben wird, die die Berechnungszeit für die IFFT berücksichtigt. Auf diese Weise ist eine korrekte Rücktransformation der Daten ermöglicht.
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Statt der Nulldurchgangsdetektion ist auch ein Senden von Synchronisationspulsen vorsehbar.
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In der 2 ist ein beispielhafter Stromverlauf des Stromes 4 mit Synchronisationspulsen 5 gezeigt. Die Synchronisationspulse 5 werden nur in Zeitbereichen gesendet, wenn der Wert des Stromes 4 unter einem gewählten kritischen Stromwert I_krit liegt. Der gewählte kritische Stromwert I_krit ist derart gewählt, dass der Synchronisationspuls 5 betragsmäßig deutlich größer ist als der Wert des Stromes 4, damit ein genügend großer Signal-Rausch-Abstand vorhanden ist.
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Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Synchronisation äußerst einfach und schnell ausgeführt ist. Der Anteil der Zeit für die Übertragung der Nutzdaten, also der eigentlich zu übertragenden Information, an der insgesamt für die Übertragung zur Verfügung stehenden Zeit ist erhöht. Außerdem ist bei Verwendung von Burst-Mode die Verzugszeit stark verkleinert und die Nutzzeit erhöht. Der Aufwand an Hardware ist sehr gering.
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Vorteiligerweise hat der Puls eine Pulsdauer, die zwischen 0,5 und 3 μs liegt. Jedoch sind auch andere Pulsdauern vorteilhaft. Eine vorteilhafte Pulshöhe beträgt zwischen 0,1 V bis 10 V, wobei die Zahlenwerte von Stärke der Störungssignale abhängen, die wiederum in verschiedenen Anlagen verschieden groß sind.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden statt eines Synchronisationspulses 5 zwei oder mehr Synchronisationspulse kurz nacheinander gesendet, insbesondere innerhalb der erwähnten Zeitbereiche. Somit ist eine weitere Verringerung der Fehlerrate vorsehbar.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden die von der IFFT-Einheit transformierten Daten in einen Buffer geschrieben, der dann nach Erhalt des Synchronisationssignals sofort frei gebbar ist. Somit ist keine Verzögerungszeit im Empfänger zu berücksichtigen, wobei allerdings die FFT-Einheit des Empfängers wiederum eine gewisse Berechnungszeit benötigt. Dabei ist die Verzögerungszeit der Analog-Digital-Wandelung und die Verzögerungszeit der Digital-Analog-Wandelung zu berücksichtigen, insbesondere durch Voreinstellung.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen, bei denen die Anlage keine Störungen im Zeitbereich des Nulldurchgangs aufweist, sind auch die Synchronisationssignale verzichtbar und der Nulldurchgang selbst als Synchronisationssignal verwendbar.
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Wesentlich ist bei der Erfindung aber, dass die aufmodulierten auf den Primärstrom führenden Primärleiter aufgekoppelten hochfrequenten Signalanteile keine gemeinsame Phase zugeordnet bekommen.
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Die Zuordnung ist beispielhaft in den 4a bis 4f erklärt.
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In der 4a ist der zeitliche Verlauf eines Datensatzes aus 3 Bit gezeigt, wobei alle Bit gesetzt sind. Es wir d hier also die Information der Zahl 8 im Zweiersystem, also 111, übertragen. 4b zeigt die drei Signalanteile, die jedem Bit zugeordnet sind. Eines der Bits ist eine Grundfrequenz f0 zugeordnet. Dem zweiten ist die Frequenz 2 f0 und dem dritten die Frequenz 3 f0 zugeordnet. In 4c ist der errechnete zeitliche Verlauf gezeigt.
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Insgesamt weist der zeitliche Verlauf ein hohes Peak-to-average-ratio (PAR), also ein hohes Verhältnis des Spitzenwertes zum Durchschnittswert im Zeitabschnitt der Übertragung der Signale auf.
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Bei der Erfindung wird nun jedem Bit ein spezieller Wert an Phasenverschiebung zugeordnet. Beispielhaft ist hier dem Bit mit der Grundfrequenz eine Phasenverschiebung von 180° zugeordnet, wie aus 4e ersichtlich ist. Dadurch kommt nun eine starke Reduktion des PAR zustande, wie aus den 4d für den gemessenen zeitlichen Verlauf und aus 4f für den errechneten zeitlichen Verlauf ersichtlich ist.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf Verfahren, bei denen mehr Bits für jedes Datum, also jeden Einzel-Datensatz, verwendet werden. Beispielsweise sind auch Verfahren mit 32 Bit oder 64 Bit ausführbar. Jedem Bit ist also stets ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz eineindeutig zugeordnet. Außerdem ist jedem Bit auch eine Phasenverschiebung zugeordnet.
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Die Phasenverschiebungen sind bei der Erfindung derart ausgewählt, dass das PAR im zeitlichen Signalverlauf der addierten Signalanteile geringer ist als bei einer Zuordnung einer für alle Bit gleichen Phasenverschiebung, beispielsweise 0°.
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Jedes oben beschriebene Bit und seine Frequenz gehört zu einem Kanal, insbesondere eigentlich zu einem Subkanal, der Datenübertragung. Die Daten sind hier mittels On-Off-Keying (OOK) Verfahrens moduliert. Dies bedeutet, dass der Signalverlauf im jeweiligen Kanal 0 beträgt bei Off und einen im Wesentlichen Sinus-ähnlichen Verlauf aufweist bei On. Der Sinusförmige Verlauf wird also an- oder ausgeschaltet zur Codierung der Bit-Information. Dabei ist die Anfangsphase erfindungsgemäß nicht bei allen Subkanälen gleich.
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Vorteil der Erfindung ist wesentlich, dass das PAR reduziert wird und somit geringere Spannungsspitzen von der Elektronik zu erzeugen sind. Somit können die Treiberendstufen optimal ausgelastet werden.
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Außerdem erzeugt das Verfahren keine Verzerrungen und die Amplituden werden nicht beeinflusst. Des Weiteren ist kein Dekodierer an der Empfängerseite notwendig. Die Übertragungsgeschwindigkeit bleibt von der Erfindung unbeeinflusst.
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Weiterer Vorteil ist, dass die Phasenverschiebungswerte im Voraus bestimmbar sind. Dies bedeutet nach einer einmaligen Berechnung und Festlegung bleiben die Phasenverschiebungen festgelegt.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel werden die Subkanäle in Gruppen unterteilt und die Phasenverschiebungen derart festgelegt, dass das PAR minimal ist für alle in dieser Gruppe auftretenden Bitmuster. Somit ist der Rechenaufwand beim Bestimmen der Phasenverschiebungen verkleinerbar.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird statt des absoluten Minimums des PAR ein lokales Minimum verwendet. Somit ist der Rechenaufwand weiter verkleinerbar.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird das lokale Minimum durch serielles Optimieren gefunden. Dies bedeutet, dass für einen ersten angeschalteten Subkanal die Phase auf 0 festgelegt wird. Danach wird der nächste Subkanal zugeschaltet und diejenige Phasenverschiebung gewählt, die das PAR verkleinert. Danach wird ein weiterer Subkanal zugeschaltet und auch für diesen eine Phase gewählt, die das kleinste PAR zur Folge hat. Dieses serielle Optimieren wird für die gesamte Gruppe fortgesetzt.
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Statt der hier verwendeten Bezeichnung Subkanal ist auch Träger als Bezeichnung verständlich. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es also um ein Mehrträger-Datenübertragungsverfahren, wobei in jedem Träger Information amplitudenmoduliert übertragen wird. Als konkretes Beispiel sei hier noch ein Verfahren mit acht Trägern erwähnt. Dabei wird ein Datenwort in einer ersten Zeitspanne übertragen. In dieser Zeitspanne werden also gleichzeitig acht verschiedene Frequenzen beansprucht. In jedem dieser Träger ist nun die Information 0 durch Nicht-Vorhandensein eines Signals oder 1 durch ein sinusförmiges Signal mit der Frequenz des jeweiligen Trägers übertragbar. Somit ist beim Empfänger die achtstellige Kombination aus 1 und 0 erkennbar und somit das Datenwort zusammensetzbar. Nach der Zeitspanne ist das nächste Datenwort übertragbar.
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Bei der Erfindung ist nun wichtig, dass die Sinusschwingungen des Trägers nicht alle zu Beginn der Zeitspanne bei Null, also mit Anfangsphasenlage Null, beginnen und dann ansteigen, sondern mindestens in einem der Träger ist eine nichtverschwindende Anfangsphasenlage vorhanden.
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Diese Anfangsphasenlage bleibt für alle Träger zu allen Zeiten konstant und unverändert. Die Zuordnung der Anfangsphasenlage zu den Trägern ist derart ausgeführt, dass die Spitzenwerte der Signalspannung reduziert ist.
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Die Information ist also in der Amplitude repräsentiert und codiert. Die Anfangsphasenlage hat keinen Einfluss auf die Information sondern dient der Reduzierung der Spitzenwertspannung.
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Die höchste Spitzenwertspannung, also der höchste Wert der Summe der einzelnen Träger-Signalspannungen, wird bei der Übertragung eines Datenworts erreicht, wenn in jedem Träger eine 1 codiert wird und die Anfangsphasenlagen verschwinden. Bei der Erfindung werden dagegen Werte für die Anfangsphasenlage bestimmt, die derart sich von Null unterscheiden, dass die Spitzenwertspannung kleiner wird. Einige der Anfangsphasenlagen dürfen Null sein, jedoch nicht alle.
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Welchem Kanal welche Anfangsphasenlage zugeordnet wird, wird zu oder vor Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens übermittelt. Somit ist keine Redundanz notwendig sondern es wird jedem Träger genau eine feste einzige Anfangsphase zugeordnet.
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In der 5a ist der in ein elektrisches Versorgungskabel eingeprägte Energiestrom gezeigt, mit dem beispielsweise galvanisch oder induktiv an das Versorgungskabel gekoppelte Verbraucher versorgbar sind. Auf den Energiestrom, beispielsweise ein niederfrequenter oder mittelfrequenter Wechselstrom, wird ein höher frequentes Signal, das zur Datenübertragung vorsehbar ist, aufmoduliert.
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Die Trägerfrequenzen betragen beispielsweise 65 kHz und ganzzahlige Vielfache hiervon. Beispielhaft sind 8 Trägerfrequenzen verwendet. Die Wechselstromfrequenz des Energiestroms beträgt beispielsweise 25 kHz. Die Trägerfrequenzen sind also kein ganzzahliges Vielfaches der Wechselstromfrequenz des Energiestroms.
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Statt der 25 kHz sind auch andere Werte zwischen 0 und 100 kHz verwendbar. Statt der 65 kHz sind auch andere Werte zwischen 500 Hz und 10 MHz verwendbar, wobei die Frequenz hierbei größer ist als die Wechselstromfrequenz des Energiestroms.
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In 5b ist ein Datensignal gezeigt, das aus den acht Trägerfrequenzen summierend zusammengesetzt ist und die erfindungsgemäßen Anfangsphasen derart bestimmt sind, dass der Spitzenwert der Signalspannung reduziert ist, wobei allerdings kein Energiestrom berücksichtigt ist.
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Wenn nun das Datensignal nach 5b auf das Energiestromsignal nach 5a aufmoduliert ist, wird die maximal verfügbare Spannung U_max überschritten, der den Treibern zur Verfügung steht.
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Daher ist in 5d ein Datensignal gezeigt mit anderen Anfangsphasen. Dabei sind die Anfangsphasen in diesem Fall unter Berücksichtigung des Energiestromsignals bestimmt. Vorzugsweise wird hierzu das maximale Energiestromsignal verwendet. Das Resultat dieser anderen geschickteren Auswahl der Anfangsphasenlagen unter Berücksichtigung des Energiestromsignals ist in 5e gezeigt, wo das resultierende Summensignal gezeigt ist, das den Spannungswert U_max nie überschreitet.
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Besonders wichtig ist hierbei, dass bei der Bestimmung der Anfangsphasenlagen das Energiestromsignal berücksichtigt wird.
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Vorzugsweise bleiben die Beträge der Anfangsphasenlagen stets unverändert. Jedoch hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist und eine noch bessere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Spannung U_max erreichbar ist, wenn das Vorzeichen sich entsprechend dem Vorzeichen des Energiesignals ändert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einspeisevorrichtung
- 2
- bewegliches Teil
- 3
- induktive Kopplung
- 4
- Strom im Primärleiter
- 5
- Synchronisationspuls
- 6, 7
- Detektor für Stromnulldurchgang
- 30
- Phasenverschiebungstabelle
- 31
- Betragswertbildung
