DE102020100659B4

DE102020100659B4 - Kommunikationsvorrichtung, Kommunikationssystem sowie Verfahren zum Übertragen von Informationen

Info

Publication number: DE102020100659B4
Application number: DE102020100659.4A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-01-14
Filing date: 2020-01-14
Publication date: 2022-02-24
Anticipated expiration: 2040-01-15
Also published as: EP4091270A1; WO2021144204A1; DE102020100659A1

Abstract

Kommunikationsvorrichtung (2) zum Senden oder Empfangen von Informationen, aufweisend:
- ein erstes Mittel (10),
- ein zweites Mittel (20), und
- einen Controller (30)
- wobei das erste Mittel (10) zum Senden oder Empfangen eines ersten Signals über ein erstes Medium (5) ausgebildet ist,
- wobei das zweite Mittel (20) zum Senden oder Empfangen eines zweiten Signals über ein zweites Medium (8) ausgebildet ist,
- wobei das erste Medium (5) und das zweite Medium (8) galvanisch getrennt sind,
- wobei der Controller (30) mit dem ersten Mittel (10) und mit dem zweiten Mittel (20) verbunden ist,
- wobei der Controller (30) zum Senden oder Empfangen von Informationen das erste Signal und das zweite Signal in Abhängigkeit zueinander in ein Verhältnis setzt, und
- wobei das erste Mittel (10) und/oder das zweite Mittel (20) das jeweilige Signal als eine stehende Welle durch das jeweilige Medium (5, 8) sendet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kommunikationsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Kommunikationssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 sowie ein Verfahren zur Informationsübertragung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17.
Kommunikationsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kommunikationsvorrichtungen erfolgt die kabellose Übertragung von Informationen stets über ein einziges Medium, sei es ein elektrisch leitendes Medium oder ein elektrisch nichtleitendes Medium.
Die Übertragung von Informationen über ein elektrisch leitendes Medium oder über ein elektrisch nichtleitendes Medium, wie beispielsweise die Luft, beruht auf der Tatsache, dass die zur Informationsübertragung benötigten Elektronen sich in dem Medium mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegen.. In der Druckschrift CA 142352 A wird ein Experiment beschrieben, das eine stehende Welle in einem elektrisch leitenden Medium beschreibt.
Die kabellose Übertragung von Informationen erfolgt heutzutage über modellierte elektromagnetische Wellen in einem nicht elektrisch leitenden Medium, beispielsweise durch die Luft. Hierzu werden zum Senden der Informationen die Informationen mittels eines Sendersignals auf ein Trägersignal moduliert und zum Empfangen werden das Trägersignal und das Sendersignal demoduliert. Die Druckschriften US 723 188 A und US 725 605 A zeigen, dass sich Information auch in einem elektrisch leitenden Medium durch Impulse übertragen lassen.
Weiteren Stand der Technik bildet DE 10 2009 040 911 B4 .
Ausgehend von dem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kombinationsvorrichtung, ein Kombinationssystem sowie ein Verfahren zum Übertragen von Informationen bereitzustellen, das in zweckmäßigerweise die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Systeme verbessert und eine Übertragung von Daten ohne eine aufwändige Demodulation der Signale auf der Empfängerseite ermöglicht.
Als Nachteil an dem oben genannten Stand der Technik ist zu nennen, dass ein zu übertragendes Nutzsignal ein sogenanntes Trägersignal verändert bzw. sich durch die Welleneigenschaften überlagert. Des Weiteren wird zudem eine hohe Bandbreite für die Übertragung von Informationen benötigt.
Diese Aufgaben werden durch eine Kommunikationsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Kommunikationssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 sowie ein Verfahren zum Übertragen von Informationen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 zum Senden oder Empfangen von Informationen weist ein erstes Mittel, ein zweites Mittel und einen Controller auf. Das erste Mittel ist zum Senden oder Empfangen eines ersten Signals über ein erstes Medium ausgebildet und das zweite Mittel zum Senden oder Empfangen eines zweiten Signals ist über ein zweites Medium ausgebildet, wobei das erste Medium von dem zweiten Medium galvanisch entkoppelt sein kann. Darüber hinaus steht der Controller mit dem ersten Mittel und dem zweiten Mittel in Kommunikation bzw. ist mittelbar oder unmittelbar verbunden. Zum Senden oder Empfangen der Informationen werden das erste Signal und das zweite Signal in Relation gesetzt. Insbesondere wird zum Senden oder Empfangen der Informationen eine Phasenlage zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal herangezogen.
Weiterhin wird erfindungsgemäß zum Senden der Informationen durch das erste Mittel und/oder durch das zweite Mittel das jeweilige Signal als eine stehende Welle durch das jeweilige Medium gesendet. Sowohl das erste Mittel als auch das zweite Mittel können unabhängig voneinander das erste Signal oder das zweite Signal getrennt voneinander aber auch gemeinsam senden. Besonders bevorzugt ist es, wenn das erste Signal und das zweite Signal zeitlich synchronisiert sind und weiter bevorzugt nicht auseinanderlaufen
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, die zu übertragenden Informationen entkoppelt bzw. unabhängig voneinander bzw. getrennt in zwei getrennten Medien zu übertragen. Sowohl das erste Signal als auch das zweite Signal wird als sinusförmige bzw. stehende Welle durch das jeweilige Medium übertragen, wobei eines der Signale ein Trägersignal sein kann und das andere Signal ein Sendesignal. Somit werden das Trägersignal und das Sendesignal voneinander getrennt übertragen, wodurch die ursprüngliche Sinusform der beiden Signale erhalten bleibt und eine aufwändige Demodulation der Signale auf der Empfängerseite entfällt. Auch überlagern sich durch die getrennte Übertragung der beiden Signale nicht die Welleneigenschaften, wodurch eine bessere Übertragungsqualität erreicht werden kann.
Eine Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass das erste Medium und das zweite Medium jeweils ein elektrisch leitendes Medium ist, wobei diese galvanisch entkoppelt sind, weshalb es zu keiner Überlagerung der beiden Signale und einer möglichen Veränderung der Welleneigenschaften kommen sollte. Alternativ kann gemäß einer Weiterbildung das erste Medium ein elektrisch leitendes Medium sein, währenddessen das zweite Medium ein elektrisch nichtleitendes Medium sein kann oder vice versa.
Hier und im Nachfolgenden wird unter einem elektrisch leitenden Medium beispielsweise ein elektrischer Leiter, beispielsweise die Erde, ein Süß- oder Salzwasser, ein Süß- oder Salzgewässer, ein ESD-Boden oder ein elektrischer Leiter, verstanden. Ein elektrisch nichtleitendes Medium kann beispielsweise Luft oder dergleichen sein.
Es ist bevorzugt, wenn das erste Mittel eine erste Spulenanordnung ist und das zweite Mittel eine zweite Spulenanordnung. Die jeweilige Spulenanordnung umfasst mindestens eine elektrische Spule, vorzugsweise zwei elektrische Spulen. Die erste Spulenanordnung ist konfiguriert, das erste Signal über das erste Medium zu übertragen. Die zweite Spulenanordnung ist konfiguriert, das zweite Signal über das zweite Medium zu übertragen. Es kann insbesondere bevorzugt sein, wenn die erste Spulenanordnung und die zweite Spulenanordnung konfiguriert sind, das erste Signal und das zweite Signal zeitlich synchronisiert zu erzeugen und zu gewährleisten, dass das erste Signal und das zweite Signal nicht auseinanderlaufen.
Auch kann nach Maßgabe einer Weiterbildung die erste Spulenanordnung konfiguriert sein, das erste Signal über das erste und elektrisch leitende Medium zu übertragen und die zweite Spulenanordnung kann konfiguriert sein, das zweite Signal über das zweite und elektrisch nichtleitende Medium zu übertragen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die erste Spulenanordnung und/oder die zweite Spulenanordnung eine Primärspule und eine Sekundärspule aufweisen bzw. aufweist, und dass die Primärspule und die Sekundärspule transformatorisch gekoppelt sind. Die Primärspule kann in die Sekundärspule - und umgekehrt - einen Strom induzieren. Für den Fall, dass die Kommunikationsvorrichtung zum Senden von Informationen verwendet wird, gibt der Controller ein der Information entsprechendes Signal aus und die Primärspule wird mit einer entsprechenden Wechselspannung bestromt. Die Primärspule induziert bei Resonanz einen Strom in die Sekundärspule, welche eine stehende Welle in dem ersten Medium oder dem zweiten Medium erzeugt. In dem anderen Fall, dass die Kommunikationsvorrichtung zum Empfangen von Informationen verwendet wird, induziert die stehende Welle in dem ersten und bevorzugt elektrisch leitenden Medium und in dem zweiten und bevorzugt elektrisch nichtleitenden Medium mittels der Sekundärspule eine Wechselspannung in die Primärspule, wobei die Erfassung der Frequenz, der Phasenlage und/oder der Amplitude durch den Controller erfolgen kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Primärspule und/oder die Sekundärspule jeweils eine Spiralspule mit einem inneren Ende und einem äußeren Ende ist. Das innere Ende der Spiralspule entspricht dem Ende der Wicklung, welches, ausgehend von einer Längsachse oder einem Punkt um die Spule gewickelt ist, in Radialrichtung innen angeordnet ist und im Vergleich zum äußeren Ende den geringsten Abstand zu der Längsachse aufweist. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Spiralspule eine Flachspule ist, wobei die Spiralspule ebenfalls entlang ihrer Rotationsachse eine Streckung aufweisen kann.
Auch kann die Sekundärspule nach Maßgabe einer Weiterbildung der Erfindung innerhalb der Primärspule angeordnet sein. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Primärspule koaxial zu der Sekundärspule angeordnet ist und beide eine gemeinsame Längsachse aufweisen. Senkrecht zu der Längsachse ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Primärspule und die Sekundärspule auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Die Primärspule umgibt die Sekundärspule in einer solchen Ausgestaltung radial.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das äußere Ende der Sekundärspule der ersten Spulenanordnung mit dem ersten und bevorzugt elektrisch leitenden Medium verbunden. Weiterhin kann es dabei vorteilhaft sein, wenn das innere Ende der Sekundärspule der ersten Spulenanordnung mit dem zweiten und bevorzugt elektrisch nichtleitenden Medium verbunden ist.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn das innere Ende der Sekundärspule der zweiten Spulenanordnung mit dem ersten und bevorzugt elektrisch leitenden Medium verbunden ist und das äußere Ende der Sekundärspule der zweiten Spulenanordnung mit dem zweiten und bevorzugt elektrisch nichtleitenden Medium verbunden ist.
Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung der Controller eine Kommunikationsschnittstelle aufweist, durch die die zu sendenden Informationen oder die zu empfangenden Informationen an die oder von der Kommunikationsvorrichtung übergeben werden können. Die Kommunikationsschnittstelle dient somit als Eingang und Ausgang für die durch die Kommunikationsvorrichtung gesendeten oder empfangenen Daten und erlaubt eine bidirektionale Kommunikation.
Der Controller kann einen Mikrocontroller umfassen, der über die Kommunikationsschnittstelle Informationen enthält und diese als ein analoges oder digitales Signal ausgibt, welches entsprechend der zu übertragenden Informationen Frequenz und Phasenlage des zu sendenden ersten Signals und/oder des zweiten Signals umfasst. Ebenso kann der Controller empfangene analoge oder digitale Signale der Spulenanordnungen auswerten und anhand der Frequenz und Phasenlage die Informationen zurückgewinnen.
Für den Fall, dass der Controller ein digitales Signal ausgibt oder empfängt, kann zwischen dem ersten und dem zweiten Mittel und dem Controller ein A/D-Wandler angeordnet oder geschaltet sein, der ein analoges Signal in ein digitales Signal wandelt oder umgekehrt. Entsprechen kann der A/D-Wandler auch ein D/A-Wandler sein, wobei hierfür A/D-Wandler als synonym verwendet wird. Weiterhin kann zwischen dem Controller und dem ersten Mittel und dem zweiten Mittel bevorzugt jeweils ein Verstärker angeordnet sein, durch den das zu sendende oder das zu empfangende Signal verstärkt wird. Es versteht sich von selbst, dass sowohl der A/D-Wandler als auch der Verstärker innerhalb des Controllers angeordnet sein können. Die Verarbeitung der Signale kann in dem Controller entweder durch einen digitalen Signalprozessor erfolgen oder durch eine entsprechende Software. Auch kann der digitalen Signalprozessor ein ASIC oder FPGA sein
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem, aufweisend mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen. Bei einem solchen Kommunikationssystem kann eine der mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen als ein Sender zum Senden von Informationen verwendet werden und der andere der mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen als ein Empfänger zum Empfangen der gesendeten Informationen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen sowohl als Sender als auch als Empfänger verwendet werden können und in einer beliebigen Reihenfolge Informationen senden oder empfangen können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weisen die Sekundärspulen der ersten Spulenanordnung und/oder der zweiten Spulenanordnung mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen und/oder der beiden Spulenanordnungen die gleiche Induktivität auf. Unter der Maßgabe, dass das erste Medium ein elektrisch leitendes Medium ist und das zweite Medium ein elektrisch nichtleitendes Medium (z.B. Luft) ist, kann durch diese Ausgestaltung der Induktivitäten der Spule die zu übertragende Information eine binäre aber auch bevorzugter Weise eine ternäre Datenform sein, deren Zustand durch die Resonanzfrequenzen und deren gemeinsame Nullpunkte bzw. der Phasenverschiebung der empfangenen ersten und zweiten Signale bestimmt werden kann. Das erste Signal wird in dem ersten und bevorzugt elektrisch leitenden Medium mit ca. der 1,5-fachen Geschwindigkeit schneller übermittelt wird, als das zweite Signal über das zweite und elektrisch nichtleitende Medium. In der Folge ist die Resonanzfrequenz für das erste Signal bzw. die entsprechende stehende Welle um das ca. 1,5-fache höher als die Resonanzfrequenz für das zweite Signal bzw. die dazugehörige stehende Welle in dem zweiten und elektrisch nichtleitenden Medium.
Alternativ kann die Induktivität der Sekundärspule der ersten Spulenanordnung und die Induktivität der zweiten Spulenanordnung mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen unterschiedlich bemessen sein und die beiden Signale können als stehende Welle über zwei galvanisch getrennte Medien, wie beispielsweise unterschiedliche elektrische Leitungen, übertragen werden. Vorzugsweise sind die Induktivitäten der Sekundärspule der ersten Spulenanordnung und der Sekundärspule der zweiten Spulenanordnung der mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen derart gewählt, dass die Frequenzen der beiden stehenden Wellen des ersten Signals und des zweiten Signals in einem Verhältnis von 1:1,5 sind oder vice versa. Andere Verhältnisse sind ebenfalls möglich, wie beispielsweise 1:1, 1:1,1, 1:1,2, 1:1,3, 1:4/3, 1:1,4, 1:1,5, 1:1,6, 1: 5/3, 1:1,7, 1:1,8, 1:1,9, 1:2 oder höher, wobei das Verhältnis vorzugsweise keine harmonische Schwingung sein sollte.
Darüber hinaus sind gemäß einer bevorzugten Weiterbildung die äußeren Enden der Sekundärspule der ersten Spulenanordnung der mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen durch das elektrisch leitende Medium verbunden. Weiterhin sind die inneren Enden der Sekundärspule der zweiten Spulenanordnung der mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen ebenfalls mit dem elektrisch leitenden Medium verbunden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Controller einer der mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen, die als Sender betrieben wird, die zu übertragende Information in eine Frequenz und Phasenlage wandelt. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn zunächst die von der Kommunikationsschnittstelle erhaltenen Informationen an einen digitalen Signalprozessor übergeben werden, der ein entsprechendes digitales Signal erzeugt und an einen A/D-Wandler übergibt, der wiederum das digitale Signal in ein analoges Signal wandelt und an den Verstärker übergibt, der das analoge Signal verstärkt. Das analoge Signal entspricht einer Wechselspannung, mit der die Primärspule bestromt wird.
Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Controller einer der mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen, die als ein Empfänger betrieben wird, die empfangenen Informationen auswertet. Induziert die Sekundärspule einen Strom in die Primärspule, wird in der Primärspule eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt, die durch entsprechende Komparatoren und/oder A/D-Wandler in ein digitales Signal gewandelt werden können, die durch einen digitalen Signalprozessor oder eine Software erfasst werden können. Der Komparator kann zur Nullpunktdetektion verwendet werden. Anhand der zwei digitalen Signale der ersten Spulenanordnung und der zweiten Spulenanordnung kann anhand der Phasenlage des ersten Signals und des zweiten Signals die zu übertragenden Informationen ermittelt werden und über die Kommunikationsschnittstelle ausgegeben oder ausgelesen werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Informationsübertragung, insbesondere mittels mindestens einer Kommunikationsvorrichtung und/oder eines zuvor beschriebenen Kommunikationssystems, wobei ein erstes Signal über ein elektrisch leitendes Medium übertragen wird, wobei ein zweites Signal über ein elektrisch nichtleitendes Medium übertragen wird, und wobei die zu übertragenden Informationen zumindest durch eine Relation zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal bestimmbar ist. Die zu übertragenden Informationen können insbesondere durch die Phasenlage zwischen dem in unterschiedlichen Medien übertragenen ersten Signal und zweiten Signal bestimmbar sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind das erste Signal und das zweite Signal zeitlich synchronisiert und laufen vorzugsweise nicht auseinander. Das erste Signal und das zweite Signal können einer stehenden Welle entsprechen, die sich dadurch auszeichnet, dass deren Auslenkung oder Amplitude im zeitlichen Verlauf immer Null ist. Bevorzugt ist die stehende Welle sinus- oder cosinusförmig.
Weiterhin hat es sich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als vorteilhaft erwiesen, wenn der Controller, der als ein Sender betrieben wird, die zu übertragenden Informationen in eine Frequenz und Phasenlage wandelt, wobei bevorzugter Weise die Frequenz und die Phasenlage der ersten Spulenanordnung und der zweiten Spulenanordnung zeitlich synchronisiert sind.
Gemäß einer weiteren Maßgabe des vorliegenden Verfahrens erfolgen die zu übertragenden Informationen in einer binären Datenform. Insbesondere ist es jedoch bevorzugt, wenn die zu übertragenden Informationen in einer ternären Datenform erfolgen, deren Zustand durch eine Resonanzfrequenz der Signale, der gemeinsamen Nullpunkte bzw. der Phasenverschiebung zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal bestimmt ist. Der Komparator kann beispielsweise zur Nullpunktdetektion verwendet werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems sowie den zugehörigen Kommunikationsvorrichtungen als auch das Verfahren zur Informationsübertragung im Detail beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische und stark vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems mit zwei Kommunikationsvorrichtungen, die ein erstes Signal über einen elektrisch leitfähiges Medium übertragen und ein zweites Signal über ein elektrisch nichtleitendes Medium,
2 einen Verlauf des ersten Signals und des zweiten Signals in einem ersten eindeutigen ternären Zustand,
3 einen Verlauf des ersten Signals und des zweiten Signals in einem zweiten eindeutigen ternären Zustand, und
4 einen Verlauf des ersten Signals und des zweiten Signals in einem dritten eindeutigen ternären Zustand.

Nachfolgend werden gleiche oder funktional gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der Übersichtlichkeit halber sind in den einzelnen Figuren nicht alle gleichen oder funktional gleichen Teile mit einer Bezugsziffer versehen.
1 ist eine stark vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems 1 zu entnehmen, das mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen 2 umfasst, zwischen denen Informationen übertragen werden können. Beide Kommunikationsvorrichtungen 2 können als ein Sender und/oder als ein Empfänger Informationen übertragen bzw. empfangen, wobei die Kommunikationsvorrichtungen 2 in einer beliebigen Reihenfolge oder streng monoton entweder als Sender oder als Empfänger dienen können. In dem dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel sind beide Kommunikationsvorrichtungen 2 identisch ausgebildet und können als Sender oder Empfänger betrieben werden.
Die jeweilige Kommunikationsvorrichtung 2 umfasst ein erstes Mittel 10 und ein zweites Mittel 20, sowie einen Controller 30. Das erste Mittel 10 und das zweite Mittel 20 sind mit dem Controller 30 verbunden und können mit diesem kommunizieren.
Das erste Mittel 10 ist konfiguriert, ein - in 1 nicht dargestelltes - erstes Signal über ein erstes Medium 5 zu senden oder zu empfangen, wobei in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel das erste Medium 5 ein elektrisch leitendes Medium ist und nachfolgend so bezeichnet wird. Das elektrisch leitende Medium 5 kann beispielsweise gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung die Erde, ein ESD-Boden oder ein elektrisch leitendes Kabel bzw. eine elektrisch leitfähige Oberfläche sein.
Das zweite Mittel 20 ist konfiguriert, ein - in 1 nicht dargestelltes - zweites Signal über ein zweites Medium 8 zu senden oder zu empfangen, wobei in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel das zweite Medium 8 ein elektrisch nichtleitendes Medium ist und nachfolgend so bezeichnet wird. Das elektrisch nichtleitende Medium 8 kann beispielsweise Luft sein.
Der Controller 30 weist zumindest eine Kommunikationsschnittstelle auf, durch die die von der Kommunikationsvorrichtung 2 zu übertragenden Informationen an die Kommunikationsvorrichtung 2 übergeben werden können oder durch die die von der Kommunikationsvorrichtung 2 empfangenen Informationen von der Kommunikationsvorrichtung 2 ausgegeben werden können. Die Kommunikationsschnittstelle kann digital und/oder analog sein.
Für den Fall, dass die Kommunikationsvorrichtung 2 zum Senden von Informationen verwendet wird, kann der Controller 30 für das erste Mittel 10 und das zweite Mittel 20 ein Signal bereitstellen, durch welches die Mittel 10, 20 das der Information entsprechende erste Signal und das der Information entsprechende zweite Signal an einen Empfänger zu übermitteln.
Wenn die Kommunikationsvorrichtung 2 zum Empfangen von Informationen verwendet werden soll, kann der Controller 30 das von dem ersten Mittel 10 empfangene erste Signal und das von dem zweiten Mittel 20 empfangenen zweite Signal auswerten und anhand dieser beiden Signale die Information ermitteln, wie nachfolgend noch detailliert erläutert werden wird.
Das erste Mittel 10 und das zweite Mittel 20 können jeweils eine Spulenanordnung 11, 21 sein, wobei die jeweilige Spulenanordnung 11, 21 eine Primärspule 12, 22 und eine Sekundärspule 14, 24 aufweist.
Die Primärspulen 12, 22 und die Sekundärspulen 14, 24 sind Spiralspulen. Die Primärspule 12 und die Sekundärspule 14 der ersten Spulenanordnung 11 und die Primärspule 22 und die Sekundärspule 24 der zweiten Spulenanordnung 21 sind näherungsweise koaxial angeordnet, wobei die jeweilige Sekundärspule 14, 24 innerhalb der korrespondierenden Primärspule 12, 22 angeordnet ist.
Bevorzugt sind sowohl die Primärspule 12, 22 als auch die Sekundärspule 14, 24 als Flachspulen ausgebildet, wodurch die Primärspule 12 und die Sekundärspule 14 der ersten Spulenanordnung 11 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und die Primärspule 22 und die Sekundärspule 24 der zweiten Spulenanordnung 21 ebenfalls in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei die Ebene der ersten Spulenanordnung 11 und der zweiten Spulenanordnung 21 fluchtend und/oder benachbart zueinander oder in unterschiedlichen Ausrichtung sein kann.
Die jeweilige Primärspule 12, 22 und die Sekundärspule 14, 24 sind transformatorisch gekoppelt, weshalb die Primärspule 12 in die Sekundärspule 14 einen Strom induzieren kann und die Primärspule 22 einen Strom in die Sekundärspule 24. Ebenso kann in umgekehrter Folge die jeweilige Sekundärspule 14, 24 einen Strom in die jeweilige Primärspule 12, 22 induzieren.
Im Detail kann der Controller 30 eine Mikrocontroller-Einheit 32, einen digitalen Signalprozessor 34, einen A/D-Wandler 36 sowie einen Verstärker 38 aufweisen. Zum Senden von Informationen kann der digitale Signalprozessor 34 die zu übertragenden Informationen von der Mikrocontroller-Einheit 32 von der Kommunikationsschnittstelle erhalten, wobei der digitale Signalprozessor 34 ein digitales Signal ausgibt, damit die Frequenz oder Phasenlage den zur übertragenden Informationen entspricht. Der A/D-Wandler 36 wandelt das digitale Signal des digitalen Signalprozessors 34 in ein analoges Signal, welches durch den jeweiligen Verstärker 38 für die jeweilige Spulenanordnung 11, 21 verstärkt wird und die ausgegebene Wechselspannung die jeweilige Primärspule 12, 22 bestromt. Bei Resonanz induziert die Wechselspannung in den Primärspulen 12, 22 einen Strom in die jeweilige zugeordnete Sekundärspule 14, 24.
Zum Empfangen von Informationen kann der jeweilige Verstärker 38 die durch die Sekundärspule 14, 24 in die jeweilige Primärspule 12, 22 induzierte Wechselspannung verstärken, die durch Komparatoren und den A/D-Wandler 36 in ein digitales Signal gewandelt werden kann, welches der digitale Signalprozessor 34 erfasst. Der digitale Signalprozessor 34 kann die zu dem ersten Signal und dem zweiten Signal korrespondierenden digitalen Signale auswerten und kann anhand der Phasenlage des ersten Signals und des zweiten Signals zueinander die zu übertragenden Informationen ermitteln, welche über die Mikrocontroller-Einheit 32 von der Kommunikationsschnittstelle ausgelesen werden können.
Die Sekundärspule 14 der ersten Spulenanordnung 11 weist ein inneres Ende und ein äußeres Ende auf, wobei zwischen dem inneren Ende und dem äußeren Ende mindestens eine vollständige Windung, vorzugsweise eine Vielzahl von vollständigen spiralförmigen Windungen ausgebildet sind, die sich um eine Längsachse erstrecken. Der Abstand zwischen der Längsachse und dem inneren Ende ist kleiner als der Abstand zwischen der Längsachse und dem äußeren Ende.
Das äußere Ende der Sekundärspule 14 der ersten Spulenanordnung 11 ist mit dem elektrisch leitenden Medium 5 verbunden, währenddessen das innere Ende mit dem nicht elektrisch leitenden Medium 8, beispielsweise der Umgebungsluft, verbunden ist.
Die Sekundärspule 24 der zweiten Spulenanordnung 21 ist analog zu der Sekundärspule 14 der ersten Spulenanordnung 11 ausgebildet, jedoch ist das äußere Ende der Sekundärspule 24 der zweiten Spulenanordnung 21 mit dem elektrisch nichtleitenden Medium 8 - also wieder der Umgebungsluft - verbunden, währenddessen das innere Ende mit dem elektrisch leitenden Medium 5 verbunden ist.
Die Sekundärspule 14 der ersten Spulenanordnung 11 ist für die Bildung einer stehenden Welle in dem elektrisch leitenden Medium 5 verantwortlich, die dem ersten Signal entspricht. Dieses erste Signal ist in den 2-4 mit der Bezeichnung y₁ gekennzeichnet.
Die Sekundärspule 24 der zweiten Spulenanordnung 21 ist für die Bildung einer stehenden Welle in dem elektrisch nichtleitenden Medium 8 verantwortlich, die dem zweiten Signal entspricht. Das zweite Signal ist in den 2-4 mit der Bezeichnung y₂ gekennzeichnet.
Bei Resonanz induziert die Sekundärspule 14 der ersten Spulenanordnung der sendenden Kommunikationsvorrichtung 2 (links in 1 dargestellt) über die Sekundärspule 14 der ersten Spulenanordnung 11 der empfangenden Kommunikationsvorrichtung 2 (rechts in 1 dargestellt) in die Primärspule 12 der ersten Spulenanordnung 11 der Kommunikationsvorrichtung 2 des Empfängers eine messbare Wechselspannung mit einem Signalverlauf y₁. Die Sekundärspule 24 der zweiten Spulenanordnung 21 der sendenden Kommunikationsvorrichtung 2 (wieder links in 1 dargestellt) induziert über die Sekundärspule 24 der zweite Spulenanordnung 21 der empfangenden Kommunikationsvorrichtung 2 (rechts in 1 dargestellt) in die Primärspule 22 der zweiten Spulenanordnung 21 der Kommunikationsvorrichtung 2 des Empfängers eine messbare Wechselspannung mit einem Signalverlauf y₂.
Da das erste Signal - in dem beispielhaften Ausführungsbeispiel - über ein elektrisch leitendes Medium 5 übertragen wird und das zweite Signal über ein elektrisch nichtleitendes Medium 8, bewegen sich die stehenden Wellen des ersten Signals mit ca. der 1,5-fachen Geschwindigkeit der stehenden Welle des zweiten Signals in dem elektrisch nichtleitenden Medium 8. Daraus resultiert - unter der Maßgabe, dass die Induktivitäten aller Sekundärspulen 14, 24 der mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen 2 identisch sind - dass die Resonanzfrequenz bzw. die Frequenz des ersten Signals um das ca. 1,5-fache höher ist als die Frequenz des zweiten Signals. Diese unterschiedlichen Frequenzen sind ebenfalls aus den 2-4 ablesbar, wobei in den 2-4 die in die jeweilige Primärspule 12, 22 induzierte Spannung U über die Zeit t dargestellt ist.
Das erste Signal und das zweite Signal werden zeitlich synchronisiert erzeugt, wobei die Phasenlage zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal durch die sendende Kommunikationsvorrichtung 2 entsprechend der zu übertragenden Informationen verändert ist, um einen eindeutigen Zustand zum Übertragen der bevorzugt ternären Informationen zu erzeugen.
Das hier beispielhaft beschriebene Kommunikationssystem 1 ermöglicht es, Informationen zumindest binär bevorzugt ternär zu übertragen, wobei die drei ternären Zustände numerisch durch „-1“, „0“ und „1“ symbolisiert werden können.
Der erste ternäre Zustand „1“ ist in der 2 abgebildet und es ist ersichtlich, dass das erste Signal und das zweite Signal, gemessen an der empfangenden Kommunikationsvorrichtung 2, sinusförmig sind. Da das erste Signal, gekennzeichnet als y₁, und das zweite Signal, gekennzeichnet als y₂, zeitlich synchronisiert sind und die beiden Signale nicht auseinanderlaufen, weisen die Verläufe der beiden Signale pro Periode zwei gemeinsamen Nullpunkte auf. Der erste gemeinsame Nullpunkt ist bei dem positiv steigenden Flanken der zwei Signalverläufe erkennbar. Der zweite gemeinsame Nullpunkt ist eine ganze Periode vom zweiten Signal später, wobei das zweite Signal eine steigende Flanke und das erste Signal eine fallende Flanke aufweist. Dieser Zustand wird immer ausgehend von dem ersten gemeinsamen Nullpunkt erreicht, wenn das zweite Signal y2 relativ zu y1 um 0°, 120° oder 240° phasenverschoben ist. Dieser Phasenversatz wird von der sendenden Kommunikationsvorrichtung 2 eingestellt und kann von der empfangenden Kommunikationsvorrichtung 2 detektiert werden und steht für den ersten ternären Zustand „1“. Der jeweilige Nullpunkt kann beispielsweise durch einen Komparator bestimmt werden.
3 zeigt den zweiten ternären Zustand „-1“. Im ersten gemeinsamen Nullpunkt des ersten Signals und des zweiten Signals weisen beide Signale eine fallende Flanke auf. Der zweite gemeinsame Nullpunkt ist im Signalverlauf des zweiten Signals wiederum eine gesamte Periode später, wobei das zweite Signal eine fallende Flanke aufweist und das erste Signal y1 eine steigende Flanke aufweist. Dieser Zustand wird erreicht, ausgehend von dem ersten gemeinsamen Nullpunkt, wenn das zweite Signal relativ zum ersten Signal um 60°, 180° oder 300° phasenverschoben ist.
Der dritte ternäre Zustand „0“ ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal und das zweite Signal keinen gemeinsamen Nullpunkt aufweisen. Dieser dritte ternäre Zustand „0“ wird ausgeprägt unter anderem bei einem Phasenversatz zeitlich synchronisiert erzeugter Signale von 30°, 150° oder 270° erreicht.
Auch kann das zweite Signal gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform über ein elektrisch leitendes Medium, beispielsweise einen elektrischen Leiter, übertragen werden. Hierzu können bevorzugt die erste Spulenanordnung 11 und die zweite Spulenanordnung 21 baugleich ausgebildet sein und die inneren Enden der jeweiligen Sekundärspulen 14, 24 sind mit einem elektrisch nicht leitenden Medium verbunden, bzw. liegen frei in der Luft, währenddessen die äußeren Enden jeweils einem der elektrisch leitenden Medien 5 ,8 verbunden sind. Das erste Medium 5 und das zweite Medium 8 sind hierzu galvanisch getrennt. Es kann dabei vorteilhaft sein, wenn die Frequenz des zweiten Signals ungleich der Frequenz des ersten Signals ist, um eindeutige binäre oder ternäre Zustände zu erzeugen. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Induktivität der Sekundärspule 14 der ersten Spulenanordnung 11 und die Induktivität der Sekundärspule 24 der zweiten Spulenanordnung 21 unterschiedlich sind, insbesondere bevorzugt wenn sich die Resonanzfrequenzen um einen Faktor 1,5 unterscheiden.
Die Bestimmung der Zustände erfolgt somit unabhängig von der Amplitude des ersten Signals und des zweiten Signals und die konkrete Phasenlage lässt sich stets relativ zu einem gemeinsamen Nullpunkt auf einfache Weise -. z.B. mittels des Komparators - bestimmen. Somit kann das Kommunikationssystem 1 im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Kommunikationssystemen besonders robust sein und eine aufwändige Demodulation der Signale auf der Empfängerseite kann entfallen. Darüber hinaus ermöglicht die ternäre Datenübertragung eine besonders hohe Übertragungsrate.
Bezugszeichenliste

1: Kommunikationssystem
2: Kommunikationsvorrichtung
5: leitendes Medium
8: nichtleitendes Medium
10: erstes Mittel
11: erste Spulenanordnung
12: Primärspule
14: Sekundärspule
20: zweites Mittel
21: zweite Spulenanordnung
22: Primärspule
24: Sekundärspule
30: Controller
31: Kommunikationsschnittstelle
32: Microcontroller-Einheit
34: Signalprozessor
36: Verstärker
38: A/D-Wandler

Claims

Kommunikationsvorrichtung (2) zum Senden oder Empfangen von Informationen, aufweisend: - ein erstes Mittel (10), - ein zweites Mittel (20), und - einen Controller (30) - wobei das erste Mittel (10) zum Senden oder Empfangen eines ersten Signals über ein erstes Medium (5) ausgebildet ist, - wobei das zweite Mittel (20) zum Senden oder Empfangen eines zweiten Signals über ein zweites Medium (8) ausgebildet ist, - wobei das erste Medium (5) und das zweite Medium (8) galvanisch getrennt sind, - wobei der Controller (30) mit dem ersten Mittel (10) und mit dem zweiten Mittel (20) verbunden ist, - wobei der Controller (30) zum Senden oder Empfangen von Informationen das erste Signal und das zweite Signal in Abhängigkeit zueinander in ein Verhältnis setzt, und - wobei das erste Mittel (10) und/oder das zweite Mittel (20) das jeweilige Signal als eine stehende Welle durch das jeweilige Medium (5, 8) sendet.
Kommunikationsvorrichtung (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium (5) und das zweite Medium (8) ein elektrisch leitendes Medium sind, oder dass das erste Medium (5) ein elektrisch leitendes Medium ist und das zweite Medium (8) ein elektrisch nichtleitendes Medium ist.
Kommunikationsvorrichtung (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel (10) eine erste Spulenanordnung (11) und das zweite Mittel eine zweite Spulenanordnung (21) ist.
Kommunikationsvorrichtung (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spulenanordnung (11) und/oder die zweite Spulenanordnung (21) eine Primärspule (12, 22) und eine Sekundärspule (14, 24) aufweisen bzw. aufweist, und dass die Primärspule (12, 22) und die Sekundärspule (14, 24) transformatorisch gekoppelt sind.
Kommunikationsvorrichtung (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (12, 22) und/oder die Sekundärspule (14, 24) jeweils eine Spiralspule mit einem inneren Ende und einem äußeren Ende sind.
Kommunikationsvorrichtung (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspule (14, 24) innerhalb der Primärspule (12, 22) angeordnet ist.
Kommunikationsvorrichtung (2) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Ende der Sekundärspule (14) der ersten Spulenanordnung (11) mit dem ersten Medium (5) verbunden ist, und dass das innere Ende der Sekundärspule (14) der ersten Spulenanordnung (11) mit dem zweiten Medium (8) verbunden ist.
Kommunikationsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Ende der Sekundärspule (24) der zweiten Spulenanordnung (21) mit dem ersten Medium (5) verbunden ist, und dass das äußere Ende der Sekundärspule (24) der zweite Spulenanordnung (21) mit dem zweiten Medium (8) verbunden ist.
Kommunikationsvorrichtung (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (30) eine Kommunikationsschnittstelle (31) aufweist, durch die die zu sendenden Informationen oder die empfangenen Informationen übertragen werden können.
Kommunikationsvorrichtung (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstärker (38), ein A/D-Wandler (36) und/oder ein Komparator zwischen den Mitteln (10, 20) und dem Controller (30) vorgesehen ist.
Kommunikationsvorrichtung (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Senden das erste Mittel (10) und das zweiten Mittel (20) ein zeitlich synchronisiertes erstes Signal und ein zweites Signal erzeugen.
Kommunikationssystem (1), aufweisend mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche.
Kommunikationssystem (1) nach Anspruch 12 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspulen (14, 24) der ersten Spulenanordnung (11) und/oder der zweiten Spulenanordnung (21) der mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen (2) die gleiche Induktivität aufweisen.
Kommunikationssystem (1) nach einem der Ansprüche 12 oder 13 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Enden der Sekundärspulen (14) der ersten Spulenanordnung (11) der mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen (2) durch das erste Medium (5) verbunden sind, und dass die äußeren Enden der Sekundärspulen (24) der zweiten Spulenanordnung (21) der mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen (2) mit dem zweiten Medium (8) verbunden sind.
Kommunikationssystem (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (30) einer der mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen (2), die als ein Sender betrieben wird, Informationen in eine Frequenz und/oder Phasenlage wandelt.
Kommunikationssystem (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (30) einer der mindestens zwei Kommunikationsvorrichtungen (2), die als ein Empfänger betrieben wird, Informationen anhand der Frequenz und/oder der Phasenlage ermittelt.
Verfahren zur Informationsübertragung, insbesondere mittels mindestens einer Kommunikationsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder eines Kommunikationssystems nach einem der Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch das Übertragen eines ersten Signals über ein erstes Medium (5), Übertragen eines zweiten Signals über ein zweites Medium (8), wobei das zweite Medium (8) galvanisch von dem ersten Medium (5) entkoppelt ist, und wobei die zu übertragende Information aus einem Signalgang der ersten und der zweiten Signale erfolgt, wobei das erste Signal und das zweite Signal eine stehende Welle ist.
Verfahren zur Informationsübertragung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal und das zweite Signal unterschiedlichen Frequenzen aufweisen.
Verfahren zur Informationsübertragung nach Anspruch 17 oder 18 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal und das zweite Signal zeitlich synchronisiert erzeugt wird.
Verfahren zur Informationsübertragung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zu übertragende Information eine ternäre Datenform ist, dessen Zustand durch eine Resonanzfrequenz der Signale, deren gemeinsamen Nullpunkte und/oder der Phasenverschiebung des ersten Signals und des zweiten Signals bestimmt ist.