DE19647744A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen eines Empfangskanals - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Prüfung ei­ nes Empfangskanals oder Empfangssignals in einem Sende- und Empfangssystem mit berührungsloser Kopplung zwischen Sender und Empfänger, insbesondere eines von einem Schienenfahrzeug mitgeführten Empfangskanals. Sie bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Unter berüh­ rungsloser Kopplung wird hier insbesondere eine magnetische oder induktive Kopplung des Senders an den Empfänger verstan­ den.

Eine derartige Kopplung ist üblicherweise bei Schienenfahr­ zeugen vorgesehen, wobei das Fahrzeug den Empfänger und die Schiene den Sender trägt. Die magnetische Kopplung erfolgt über die Antenne des Empfängers an die Schiene, d. h. an ei­ nen dortigen Koppelpunkt (Balise) oder an einen in der Schie­ ne verlegten Linienleiter zur Datenübertragung an das Fahr­ zeug. Bei einer derartigen Übertragung verschiedener Signale vom an der Fahrstrecke angeordneten Sender zum Fahrzeug ist eine sichere Pegelauswertung, d. h. eine sichere Auswertung der Amplitude der Übertragungsfunktion des auf dem Fahrzeug empfangenen Signals (Empfangssignal) erforderlich.

Ein Ausfall einer für die Auswertung des Empfangssignals vor­ gesehenen Komponente innerhalb eines Empfangskanals kann dazu führen, daß die Übertragungsfunktion z. B. der Antenne oder eines passiven Vorfilters derart verändert wird, daß selektiv bestimmte Frequenzen verstärkt werden. Dies kann zu einer Fehlinterpretation eines z. B. übersprochenen Nutzsignals führen. Die an der Signalübertragung fahrzeugseitig beteilig­ ten Komponenten des Empfangskanals sind daher, insbesondere bei deren Inbetriebnahme, im Hinblick auf eine sicherheits­ technisch üblicherweise betriebene Ausfalloffenbarung zu überprüfen.

Die Überprüfung kann über ein zusätzlich erzeugtes und dem Nutzsignal hinsichtlich der Frequenz und der Amplitude ähnli­ ches Prüfsignal erfolgen. Dieses Prüfsignal wird einem aus den Komponenten des Empfangskanals zusammengesetzten Schal­ tungsteil an geeigneter Stelle zugeführt, z. B. im Bereich der Antenne oder im Bereich eines der Antenne nachgeschalte­ ten Verstärkers. Dabei ist sicherzustellen, daß ein zur Er­ zeugung des Prüfsignals vorgesehener Prüfgenerator außerhalb der Prüfzeiten kein Prüfsignal erzeugt, da andernfalls das Prüfsignal fälschlicherweise als Nutzsignal erkannt werden könnte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Prüfverfahren für die Komponenten eines z. B. mo­ bilen Empfangskanals anzugeben. Dies soll mit einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung mit einfa­ chen Mitteln erreicht werden.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Aus­ gestaltungen sind Gegenstand der auf diesen rückbezogenen Un­ teransprüche.

Als Prüfsignal wird ein Impuls mit hoher Frequenz oder mit breitem Frequenzspektrum, vorzugsweise ein Dirac-Impuls, er­ zeugt, der möglichst im Bereich der Antenne, d. h. an deren Spule, berührungslos auf die den Empfangskanal bildende Emp­ fängerschaltung aufgegeben wird. Die infolge dieses Impulses von der Empfängerschaltung erzeugte Impulsantwort wird dann als Prüfungsergebnis herangezogen.

Das Prüfungsergebnis kann auch aus der Impulsantwort des Sy­ stems direkt abgeleitet werden, indem ein zweckmäßigerweise off-line in Form eines Bezugssignals abgespeicherter Refe­ renzverlauf verglichen wird mit dem Signalverlauf der Im­ pulsantwort. Anstelle eines off-line aufgenommenen Bezugs­ signals kann auch ein bekanntes Referenzsignal verwendet wer­ den. Alternativ kann das Prüfungsergebnis auch on-line durch Faltung mehrerer Impulsantworten miteinander ermittelt wer­ den. Die Faltung kann z. B. mittels Software anhand eines entsprechenden Algorithmus realisierten werden.

Im on-line-Betrieb wird der gleiche und gleichermaßen erzeug­ te Impuls der Empfängerschaltung als Prüfsignal aufgegeben. Die aktuelle Impulsantwort oder ein daraus abgeleiteter Si­ gnalverlauf wird dann mit dem Bezugs- oder Referenzverlauf verglichen. Eine Abweichung zwischen der off-line gespeicher­ ten Impulsantwort (Zeitverhalten der Impulsamplitude) und der on-line erzeugten Impulsantwort wird als Fehler mindestens einer Komponente der Empfängerschaltung interpretiert oder diagnostiziert. Ein entsprechendes Prüfergebnis wird auch bei einer Faltung einer Anzahl von Impulsantworten desselben Sy­ stems erzielt.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß nicht der Frequenzverlauf, d. h. die Impulsamplitude als Funktion der Frequenz, z. B. im Hinblick auf eine bestimmte Amplitude bei einer bestimmten Frequenz oder in einem bestimmtem Fre­ quenzband geprüft wird, sondern daß aus dem Frequenzverlauf zunächst mittels Fourieranalyse die Impulsantwort, d. h. die Impulsamplitude als Funktion der Zeit, auf einen Impuls mit hoher Frequenz in Form eines zumindest angenäherten Dirac- Impulses herangezogen wird.

Die Impulsantwort kann auch dadurch erzeugt werden, daß der Antenne an geeigneter Stell ein Gleichstrom aufgeschaltet wird. Ein dadurch bedingter, üblicherweise bei einer Überprü­ fung einer sicheren Antennenanschaltung und/oder Antennenum­ schaltung als unerwünschter Nebeneffekt auftretender Schalt­ stoß wird hier zur Überprüfung der Empfängerschaltung heran­ gezogen. Da bei einer derartigen sicheren Antennenumschaltung der geschaltete Gleichstrom in der Regel überwacht wird, ist eine unerwünschte Auslösung eines Impulses und damit eines Prüfsignals sicher vermieden.

Zur Beschreibung der Impulsantwort kann die Amplitude des Si­ gnalverlaufs über der Zeit herangezogen werden. Daher wird vorteilhafterweise sowohl beim Referenztest als auch bei ei­ ner aktuellen Überprüfung des Empfangskanals eine Anzahl von Punkten aus dem jeweiligen Signalverlauf digital aufgenommen.

Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfin­ dungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6. Vor­ teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der aus diesen rückbezogenen Unteransprüche.

In einer entsprechenden Schaltung werden lediglich Komponen­ ten mit linearem Verhalten (LTC-System) eingesetzt. Eine Spu­ le, ein Kondensator und ein Widerstand (L, R, C-Glieder) als passive Bauelemente, aus denen eine Antenne und ein dieser nachgeschalteter Vorfilter in Form eines Hoch-, Tief- oder Bandpasses eines Empfängers üblicherweise aufgebaut ist, sind typische lineare Komponenten. Bei Einsatz aktiver Bauelemen­ te, insbesondere bei Einsatz eines dem Filter nachgeschalte­ ten Signalverstärkers, wird dieser ausschließlich im linearen Bereich betrieben. Somit ergibt sich ein lineares zeitinvari­ antes kontinuierliches System (LTC-System), das bei Eingabe z. B. eines Dirac-Impulses am Eingang der Empfängerschaltung ausgangsseitig eine eindeutig definierte Impulsantwort lie­ fert; vgl. z. B. "Digitale Signalverarbeitung", Ad W. M. van den Enden, Niek A. M. Verhoeckx, Viewegs Fachbücher der Tech­ nik, 1990, insbesondere Seiten 25 bis 30.

Ein derartiges System kann vollständig beschrieben werden durch dessen Impulsantwort, d. h. anhand einer Ausgangsfunk­ tion als Antwort auf eine als Eingangsfunktion eingesetzte Impulsfunktion. Durch Aufzeichnung der Impulsantwort und Ver­ gleich dieser mit der erwartete Norm- oder Referenzfunktion kann bei einer Abweichung einer aktuell aufgenommen Funktion von dieser Normfunktion sicher darauf geschlossen werden, daß das System dessen Eigenschaften verändert hat.

Die Prüfvorrichtung umfaßt daher zweckmäßigerweise eine Aus­ werteeinrichtung, mittels derer eine aktuelle Impulsantwort mit der erwarteten Impulsantwort verglichen wird. Dabei kann die erwartete Impulsantwort berechnet und/oder bei einer Re­ ferenzprüfung aufgenommen und gespeichert worden sein. Die Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise einem mehrkanaliger und damit sicheren Rechner zugeordnet, der zweckmäßigerweise in jedem Kanal einen einem digitalen Empfängerbaustein vorge­ schalteten Signal- oder Pegelverstärker aufweist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde­ re darin, daß durch Erzeugung und Aufzeichnung einer ein Emp­ fangssystem vollständig beschreibenden Impulsantwort anhand eines Vergleichs zwischen einem dabei erhaltenen aktuellen Signalverlauf und einem erwarteten Referenzverlauf ein Emp­ fangskanal innerhalb eines Sende- und Empfangssystems hin­ sichtlich einer ausreichenden Ausfalloffenbarung mit einem besonders hohen Maß an Sicherheit überprüft werden kann. Aus einer Abweichung der aktuellen von der erwarteten Impulsant­ wort kann sicher auf eine fehlerhafte Komponente innerhalb einer den Empfangskanal bildenden Empfängerschaltung ge­ schlossen werden, da in einem solchen Fall das Empfangssystem seine Eigenschaften verändert hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur eine Empfän­ gerschaltung als LTC-System mit einer Auswerteeinrichtung für eine Impulsantwort auf ein Prüfsignal.

Die in der Figur dargestellte Empfängerschaltung bildet einen Empfangskanal 1 in einem Sende- und Empfangssystem 2 mit mag­ netischer und damit berührungsloser Kopplung zwischen einem stationären Sender in Form eines in einem Bahngleis 3 verleg­ ten Linienleiters 4 und dem durch den Empfangskanal 1 reprä­ sentierten Empfänger. Ein solches Sende- und Empfangssystem 2 dient zur Zugsicherung innerhalb einer schienengebundenen Verkehrstechnik. Dazu werden unterschiedliche Signale S_n be­ rührungslos, zweckmäßigerweise magnetisch, vom an der durch das Bahngleis 3 repräsentierten Fahrstrecke angeordneten Sen­ der 4 zum den Empfangskanal 1 mit führenden Fahrzeug übertra­ gen. Das Sende- und Empfangssystem 2 dient insbesondere zur Datenübertragung für unterschiedliche Anwendungen.

Den Empfangskanal 1 bildet eine Empfängerschaltung mit einer auf dem Fahrzeug angeordneten Antenne 5, der ein Frequenzfil­ ter 6 in Form eines Tiefpasses, eines Hochpasses oder eines Bandfilters nachgeschaltet ist. Diesem wiederum sind in zwei parallelen Kanälen 7, 8 ein Signal- oder Pegelverstär­ ker 9, 10 und ein digitaler Empfängerbaustein 11 bzw. 12 nachgeschaltet. Die Empfängerbausteine 11 und 12 sind mit ei­ ner Auswerteeinrichtung 13 verbunden. Die Signalverstär­ ker 9, 10 sowie die Empfangsbausteine 11, 12 und die Auswerte­ einrichtung 13 sind zweckmäßigerweise Bestandteile eines zweikanaligen und damit sicheren Rechners.

Zur Prüfung der Komponenten 5 bis 12 und damit des Empfangs­ kanals 1 wird diesem eingangsseitig über dessen Antenne 5 von einem Pulsgenerator 14 ein Prüfsignal oder Testimpuls σ(t) hoher Frequenz zugeführt. Die daraufhin von dem ein lineares zeitinvariantes kontinuierliches System (LTC-System) darstel­ lenden Empfangskanal 1 erzeugte Impulsantwort wird in der Auswerteeinrichtung 13 ausgewertet. Dazu wird ein infolge des Prüfsignals σ(t) erhaltener Signalverlauf h(t) mit einem Re­ ferenzverlauf h'(t) verglichen, der zweckmäßigerweise off- line bei sicher fehlerfrei arbeitendem Eingangskanal 1 aufge­ nommenen wird.

Ist eine Aufnahme eines Bezugssignals zur Erzeugung des Refe­ renzverlaufs h'(t) ungünstig oder unerwünscht, so kann alter­ nativ zur Bildung eines Prüfergebnisses innerhalb der Auswer­ teeinrichtung 13 auch eine Faltung einer Anzahl von on-line aufgenommenen Impulsantworten erfolgen. Dazu und/oder für ei­ ne vergleichende Auswertung oder Weiterverarbeitung werden in der Auswerteeinrichtung 13 entsprechende Algorithmen mittels geeigneter Software installiert.

Zur Gewährleistung eines derartigen LTC-Systems sind inner­ halb des Empfangskanals 1 lediglich lineare Komponenten oder im linearen Bereich arbeitende Komponenten eingesetzt. Die Antenne 5 und der typischerweise aus LC-, RL- und/oder RC-Gliedern aufgebaute Filter 6 sind als passive Bauelemente derartige lineare Komponenten. Die Signal- oder Pegelverstär­ ker 9 und 10 werden zumindest während des Prüfverfahrens aus­ schließlich im linearen Bereich betrieben.

Zur Beschreibung der Impulsantwort sowohl in Form des Refe­ renzverlaufs h'(t) als auch in Form des aktuellen Signalver­ laufs h(t) erfolgt in der Auswerteeinrichtung 13 eine digita­ le Aufnahme einer Anzahl von Punkten P_{1. . .n} aus dem jeweiligen Verlauf h(t), h'(t).

Die Ankopplung des Pulsgenerators 14 an den Empfangskanal 1 und damit die Einkopplung des Prüfsignals σ(t) in die Empfän­ gerschaltung erfolgt vorzugsweise berührungslos durch induk­ tive oder kapazitive Ankopplung. Im Prüfgenerator wird als Prüfsignal σ(t) vorteilhafterweise ein Dirac-Impuls erzeugt, z. B. in Form der ansteigenden Flanke eines Rechteckimpulses, so daß der als LTC-System ausgelegte Empfangskanal 1 eine eindeutig definierbare Impulsantwort in Form des Signalver­ laufs h(t), h'(t) liefert.

Alternativ kann zur Einkopplung des Prüfsignals σ(t) in den Empfangskanal 1 und damit zur Erzeugung der Impulsantwort h(t), h'(t) der Antenne 5 an geeigneter Stelle auch ein Gleichstrom I_DC aufgeschaltet werden. Ein bei einem geschal­ teten Gleichstrom erzeugter Schaltstoß bildet dann das Prüf­ signal σ(t). Ein derartiger, üblicherweise als unerwünschter Nebeneffekt angesehener Schaltstoß wird dann zur Prüfung des Empfangskanals 1 und damit zur Überprüfung der Komponenten 5 bis 12 der Empfängerschaltung eingesetzt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Prüfung eines Empfangskanals (1) in einem Sende- und Empfangssystem mit berührungsloser Kopplung zwi­ schen Sender (4) und Empfänger (1, 11, 12), insbesondere eines von einem Schienenfahrzeug mitgeführten Empfangskanals (1), bei dem die Impulsantwort (h(t)) auf ein dem Empfangs­ kanal (1) zugeführtes Prüfsignal (σ(t)) herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Prüfsignal ein zumin­ dest angenäherter Dirac-Impuls (σ(t)) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Prüfsignal (α(t)) berührungslos in den Empfangskanal (1) eingekoppelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Prüfungsergebnis ein Vergleich zwischen dem aufgenommenen Signalverlauf (h(t)) der Impulsantwort und einem Referenz­ verlauf (h'(t)) herangezogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Prüfungsergebnis eine Faltung einer Anzahl von Impuls­ antworten (h(t)) herangezogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zur Erzeugung der Impulsantwort (h(t)) dem durch diese voll­ ständig beschreibbaren Empfangskanal (1) im Bereich dessen Antenne (5) ein Gleichstrom (I_DC) als Prüfsignal (a(t)) zuge­ schaltet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zur Beschreibung der Impulsantwort des vom Empfangskanal (1) ge­ bildeten Gesamtsystems (LTC-System) für den Referenzverlauf (h'(t)) eine Anzahl von Punkten (P_{1. . .n}) aufgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zur Beschreibung der Impulsantwort des vom Empfangskanal (1) gebildeten Gesamtsystems (LTC-System) für den Signalverlauf (h(t)) eine Anzahl von Punkten (P_{1. . .n}) aufgenommen wird.

8. Vorrichtung zur Prüfung eines Empfangskanals (1) in einem Sende- und Empfangssystem (2) mit einem über eine Antenne (5) mit nachgeschaltetem Filter (6) an einen Sender (4) ankoppel­ baren Empfängerbaustein (1, 11, 12), dem eine Auswerteein­ richtung (13) für eine Impulsantwort (h(t)) auf ein Prüfsig­ nal (σ(t)) zugeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei zur Erzeugung des Prüfsignals (σ(t)) ein eingangsseitig an den Empfangskanal (1) ankoppelbarer Pulsgenerator (14) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Auswerte­ einrichtung (13) einem mehrkanaligen sicheren Rechner zuge­ ordnet ist, wobei in jedem Kanal (7, 8) ein dem Empfänger­ baustein (11, 12) vorgeschalteter Pegelverstärker (9 bzw. 10) vorgesehen ist.