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Verfahren und Anordnung zur Datenübertragung mittels
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Mikrowellen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung
zur Datenübertragung mittels Mikrowellen zwischen ortsfesten Baken als Melde stationen
und mit Sende-/Empfangseinrichtungen ausgestatteten Fahrzeugen des öffentlichen
Nahverkehrs, der Polizei, der Feuerwehr und anderer Bedarfsträger, insbesondere
nicht spurgeführter. Als Daten werden vorzugsweise der Standort des Fahrzeuges oder
bestimmte Reuerkommandos übertragen, die zur Weichensteuerung oder zur Beeinflussung
von Lichtsignalanlagen weiterverarbeitet werden. Nach dem Stand der Technik werden
zum Informationsaustausch bei Schienenfahrzeugen stabförmige Permanentmagnete mit
einer N-S-Orientierung quer zur Fahrtrichtung verwendet. Der Orientierungswechsel
der Magnete liefert die betreffende Information. Nachteiligerweise ist dieses System
jedoch nur für Schienenfahrzeuge geeignet. Es sind weiterhin auch induktiv arbeitende
Baken bekannt.
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Die Baken bestehen aus Spulen, die mit Strömen unterschiedlicher Frequenz
durchflossen werden. Da auch die Fahrzeuge mit Induktionsspulen ausgerüstet sind,
kann über die Frequenz ein Informationsaustausch herbeigeführt werden. Dieses System
besitzt jedoch die Nachteile, nur eine geringe Reichweite von maximal ca. 6 m zu
besitzen, so daß Busse auf mehrspurigen Straßen nicht immer zuverlässig erreicht
werden, und eine nur geringe Informations-
menge austauschen können.
Mit derzeit realisierten Systemen lassen sich mit drei von sechs möglichen Frequenzen
(drei aus sechs Kombinationen) nur 20 verschiedene Informationen übertragen, die
im allgemeinen für eine Ortskodierung nicht ausreichen Die vorgenannten Nachteile
werden durch Verwendung einer Mikrowellenübertragungsstrecke vermieden. Bekannt
sind Mikrowellenübertragungsstrecken mit Baken, die einen eigenen Sender besitzen
oder passiv arbeiten.
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Beim erstgenannten System sind sowohl Baken als auch die Fahrzeuge
jeweils mit einem Mikrowellensender und -empfänger ausgerüstet. Wie in der DE-AS
28 50 208 beschrieben, sendet jedes mit einer Sender-Empfängerkombination ausgestattete
Fahrzeug ständig repetierend einen kurzen Impulszug aus. Erreicht dieser Impulszug
den Empfänger einer Meldestation, so sendet die Meldestation denfrequenzmäßig 1:2
heruntergeteilten Impulszug an das Fahrzeug zurück. Dort wird aus der durch die
Laufzeit bedingten Phasenverschiebung des Signals der Abstand zwischen Fahrzeug
und Meldestation ermittelt. Es werden die näheren Informationen ausgetauscht. Es
hat sich jedoch im praktischen Betrieb herausgestellt, daß der Bakensender viel
Leistung verbraucht, weshalb man bestrebt ist, die Einschaltdauer so gering wie
möglich zu halten. Dies wiederum führt dazu, daß eine erhebliche Frequenzdrift des
Mikrowellen-Oszillators nach dem Einschalten in Kauf genommen werden muß, womit
die Einhaltung der postalisch vorgegebenen engen Bandbreitengrenzen problematisch
wird.
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Im zweiten Fall wird als Bake eine Baugruppe werwendet, die aus verschiedenen,
einzel abgleichbaren Resonatoren für Mikrowellen besteht. Vorteilhafterweise
verbraucht
diese Bake keine Energie. Der im Fahrzeug befindliche Mikrowellensender verändert
seine Frequenz periodisch, so ca ~lei Passieren einer Bake der Fahrzeugempfänger
das reflektierte Signal mit den Einbrüchen bei den Resonatorfrequenzen der Bake
detektiert. Dieses System besitzt jedoch den Nachteil, eine große Bandbreite und
Leistung zu beanspruchen, die mit den postalischen Vorschriften für Mikrowellensender
für Ortsbaken nicht in Einklang zu bringen ist.
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Daher ist die Anwendung dieses Systemc auf die Güterwagenidentifizierung
bei Schienenfahrzeugen beschränkt, wo die Sender ortsfest und nur an bestimmten
dafür genehmigten Standorten aufgestellt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung
zur Datenübertragung mittels Mikrowellen zwischen ortsfesten Baken und mit Sende-/
Empfangseinrichtungen @@sgestatteten Fahrzeugen zu entwickeln, das zuverläss@@ und
mit möglichst geringem nergieverbrauch rc . sowie mit den postalischen Vorschriften
in Einklang zu bringen ist. Weiterhin soll die Zahl der austauschbaren Daten möglchst
groß sein.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Daten auf
die von der Fmpfangseinrichtung kommende, an der Bake reflektierte Welle mittels
Modulation aufgegeben werden. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, eine optimale
Frequenz stabilisierung zu ermöglichen, da kein Ein- und Ausschalten der Senderleistung
erfolgt. Weiterhin ist das beanspruchte Frequenzspektrum sehr schmal und läßt leicht
die postalischen Vorschriften erfüllen. Vorteilhafterweise sind Nachbarkanalaus
strahlungen und Oberwellengehalt gering, da keine Modulation des Senders stattfindet.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die reflektierte
Welle phasenmoduliert und weist drei Phasenzustände mit einem Phasenversatz von
eweils etwa 120 ° bei nahezu gleicher Amplitude auf. Es na@-sich weiterhin als vorteilhaft
erwiese:i, die Da; auf eine Trägerfrequenz aufzum@dulieren, bevor sie zur Modulation
der fahrzeugseitig ausg@sandten Welle in der Bake herangezogen werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also die Phasenlage der reflektierten
Welle relativ zur ankommenden Welle umgeschaltet. Die reflektierte Welle gelangt
in den Empfänger des Fahrzeugs, wo sie mit einem vom Senderstrahl abgezweigten Anteil
der ausgestrahlten Welle überlagert wird. Dieses überlagerungsempfängerprinzip,
das auch mit selbstmischenden Oszillatoren realisiert werden kann, bietet im Gegensatz
zu den bisher verwendeten Geradeausempfängern eine ausreichende Empfindlichkeit,
die Reichweiten der Übertragungsstrecke von merrCn 10 m ermöglicht.
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Das Problem der Detektion der Phasenmodulation im überlagerungsempfänger
bei einer reflektierten Welle mit nur zwei Phasenzuständen wir verwendung von mindestens
drei Phasenzuständen ~te'~ kanntlich ist die Detektion einer reflektiert-? Xe mit
nur zwei Phasenzuständen immer dann nicht m-lich, wenn die vom Abstand der Bake
zum Fahrzeug abhängige Phasenlage zwischen dem Empfangssignal, d.h. der reflektierten
Welle, und der Welle vcrn lokalen Oszillator im Uberlagerungsempfänger so gerichtet
ist, daß in beiden Phasenzuständen gleiche Beträge des Detektorsignals auftreten.
Damit ist der detektierte Modulationshub abhängig vom Abstand zwischen Bake und
Fahrzeugstation. Berücksichtigt man, daß bei Änderung des Abstandes um t/4 ein Minimum
und ein Maximum des detektierten Signals durchlaufen werden, so bedeutet das, bezogen
auf eine Mikrowellenfrequenz von 24 GHz
(> /4 = 3 mm), daß eine
Modulation in zwei Phasenzuständen keine Datenübertragung ermöglicht. Verwendet
man drei Phasenzustände mit einem Phasenversatz von etwa 120 °, so ist jedoch darauf
zu achten, daß die Amplitude der reflektierten Welle in den drei Phasenzuständen
möglichst gleich ist, damit die abstandsabhängige Änderung des Modulationssignals
vernachlässigbar bleibt.
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Da nach wie vor die Phasenlage der reflektierten Welle relativ zur
Welle des lokalen Oszillators im Empfänger von dem Abstand der Bake zum Fahrzeug
abhängt, ist die Polarität des detektierten Signals nicht definiert. Daher erfolgt
vorteilhafterweise die Phasenmodulation nicht direkt mit dem Informationssignal.
Die Daten werden auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert.
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Vorteilhafterweise verwendet man zur Durchführung des zuvor beschriebenen
Verfahrens in jedem Fahrzeug eine Sende-/Empfangseinrichtung für Mikrowellen und
in jeder Bake eine als phasenmodulierender Reflektor ausgebildete Mikrowellen-Baugruppe,
die nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in der Bake die Erzeugung von
drei Phasenzuständen ermöglicht. Zur Phasenmodulation werden pin- oder Varactor-Dioden
in Verbindung mit einer geeigneten Modulator-Ansteuerschaltung, die den zeitlichen
Verlauf der Ansteuersignale bestimmt, verwendet. Die drei Phasenzustände werden
dadurch erzeugt, daß zwei pin- oder Varactor-Dioden in einem T-Glied angeordnet
sind und beide verschiedenen Abstand von dem reflektierenden Kurzschluß der Mikrowellenleitung
besitzen.
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Vorteilhafterweise besitzt die Sende-/Empfangseinrichtung im Fahrzeug
einen Gunn-Oszillator als Sender
für das Mikrowellensignal, wobei
gleichzeitig der Selbstmischeffekt des Gunn-Oszillators zum Signalempfang ausgenutzt
wird. Weiterhin ist ein Überlagerungsempfänger vorgesehen, wobei dem Empfänger im
Fahrzeuggerät ein Trägerfrequenzverstärker, ein Detektor und eine Einrichtung zur
Signalaufbereitung nachgeschaltet sind. Vorteilhafterweise sind alle verwendeten
Baugruppen in Hohlleitertechnik aufgebaut.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen Fig. 1a den Aufbau einer Mikrowellen-Bake Fig. 1b den Aufbau eines Fahrzeuggerätes,
beide jeweils im Blockschaltbild, Fig. 2 ein Zeitdiagramm, in dem die anliegenden
Spannungen bzw. der Phasenversatz dargestellt sind.
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Die in Fig. 1a dargesteilte Bake besteht aus einer Hornantenne 1 mit
angeflanschtem T-Hohlleiter 2, an dessen beiden Enden sich in unterschiedlichem,
genau definiertem und mit Abstimmschrauben fein einstellbarem Abstand von der reflektierenden
Rückwand pin-Dioden 3 befinden, die als Schalter wirken.
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Daran angeschlossen ist eine Modulatoransteuerung 4, die sowohl von
einem Telegramm-Encoder 5 als auch von einem Taktgenerator 6 angesteuert wird.
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Das Fahrzeuggerät besteht aus einer mit einem Kreuzkoppler 7 verbundenen
Sende-/Empfangseinrichtung 8. Im einzelnen arbeitet- in nicht dargestellter
Weise
der Mikrowellensender im Fahrzeug mit einer in einen Hohlleiter-Resonator eingebauten
Gunn-Diode. Die gerichtete Abstrahlung erfolgt über eine Hornantenne.
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Dem Kreuzkoppler 7 sind ein Trägerfrequenzverstärker 9, ein Detektor
10 sowie eine Einrichtung zur Signalaufbereitung und Signalverarbeitung 11 nachgeschaltet.
Ebenfalls dargestellt ist die Stromversorgung 12.
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Die in den Fig. 1a und 1b beschriebene Anordnung arbeitet folgendermaßen:
Die in den Fahrzeugsender vorgesehene Gunn-Diode sendet mit der für diese Anwendungen
von der Post vorgeschriebenen Frequenz f0 von etwa 24 GHz. Die Abstrahlung erfolgt
über eine Hornantenne in Richtung der Hornantenne 1 der Mikrowellen-Bake. Das dort
empfangene Signal wird bei in Sperrichtung gesteuerten Dioden an den beiden Endflächen
des T-Hohlleiters 2 reflektiert.
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In diesem Falle besitzt die von der Bake reflektierte Welle ihre
Ausgangsphase. Werden die Dioden in einen leitenden Zustand gesteuert, so verschiebt
sich der virtuelle Reflektionsort in dem jeweiligen Ast des T-Stückes 2 um einen
bestimmten Betrag und damit insgesamt die resultierende Phase der von der Bake reflektierten
Welle. Durch unterschiedliches Ansteuern der beiden Dioden 3 wird aufgrund der eingestellten
Asymmetrie eine unterschiedliche resultierende Phase erzielt. Bei geeigneter geometrischer
Anordnung, die sich weitgehend der Berechnung entzieht, läßt sich eine Phasenmodulation
in drei Zuständen mit jeweils 120 ° Phasenversatz bei praktisch gleicher Amplitude
der reflektierten Welle in den drei Phasenzuständen erreichen.
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Fig. 2 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf an den pin-Dioden 3 sowie
den zwischen den drei Phasenzuständen bestehenden Phasenversatz.
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Ebenso wie prinzipiell eine in-line-Anordnung der pin-Dioden, d.h.
zwei hintereinandergeschalteter pin-Dioden in eine geraden Hohlleiter, verwendet
werden kann, wobei jedoch die Einstellung gleicher Amplituden Schwierigkeiten bereiten
könnte, ist die Verwendung von Varactor-Dioden oder anderer Mikrowellen-Schaltdioden
möglich.
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Die reflektierten Wellen werden in dem Kreuzkoppler 7 zur Detektion
mit einem von der im Fahrzeugsender ursprünglich erzeugten, abgezweigten Welle der
Frequenz f0 überlagert. Im einzelnen geschieht dies dadurch, daß die sogenannte
Welle des lokalen Oszillators (der abgezweigte Teil) neben dem reflektierten Signal
mit einer Frequenz fo + oder f - f auf eine Mikrowellen roischerdiode im o m Empfänger
gelangt, wo sich in bekannter Weise das Mischprodukt bildet, so daß die Frequenz
f an der m Mischerdiode zur Weiterverarbeitung zur Verfügung steht. In diesem Falle
ist c r ie Trägerfrequenz, auf die die Information der Bake per Phasenmodulation
aufmoduliert ist. Die Trägerfrequenz wird im Trägerfrequenz-Verstärker 9 verstärkt
und anschließend an den Detektor 1C weitergeleitet, wo der Informationsinhalt zurückgewonnen
wird. Das schließlich gewonnene Signal kann in Einrichtung 11 aufbereitet oder verarbeitet
werden.
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Speziell lassen sich mit dem ausgeführten System beispielsweise ein
Ortskode,.der ggf. durch Funk an
die Leitzentrale weitergegeben
wird, übertragen oder die Lichtsignalanlagen beeinflussen. Dies kann dadurch geschehen7
daß nach Auswertung des Inhalts des Baken-Telegramms die Lichtsignalanlagen gezielt
über eine weitere Datenübertragungsstrecke angesprochen werden.
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