DE3886215T2 - Schiene/zug-nachrichtensysteme. - Google Patents

Schiene/zug-nachrichtensysteme.

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Description

  • Diese Erfindung betrifft Schiene zu Zug-Nachrichtensysteme, betrieben mit spurzugeordneten Transpondern.
  • Wir verwerteten zuerst Transponder für Hochgeschwindigkeitslinien im Jahre 1974. Die Transponder stellten das Schiene zu Zug Kommunikationsmedium, benötigt für ein Geschwindigkeitsbefehlssystem, für die fortgeschrittenen Passagierzüge. Durch Benutzung eines Kippsystems waren diese Züge in der Lage mit wesentlich höheren Geschwindigkeiten zu durchfahren, als es für konventionelle Züge akzeptabel ist. Damit die Zugführer nicht einen neuen Satz von Liniengeschwindigkeiten lernen mußten, wurde jeder Zug ausgerüstet mit einem Geschwindigkeitsbefehlssystem, welche die angemessene Liniengeschwindigkeit im Fahrerstand anzeigte. Geschwindigkeit und andere Kontrollinformationen wurden codiert in vorbestimmten Nachrichten, welche in auf den Schienen montierten Transpondern gehalten wurden; die Transponder wurden aktiviert von dem Zug und die Nachricht wurde durch auf dem Zug montierte Abfragesysteme gelesen.
  • Vor kurzem haben sich Reisezeiten dadurch reduziert, daß die maximale Liniengeschwindigkeit auf relativ geraden Strecken von 160 km/h auf 200 km/h gewachsen ist und durch die Einführung von nichtkippenden Hochleistungszügen, insbesondere der Diesel getriebene Hochgeschwindigkeitszug (HST).
  • Im britischen Bahnsystem werden Hochgeschwindigkeitszüge manuell gefahren und die Zugführer sind in starkem Maße abhängig von ihrer Routenkenntnis. Die einzigen Anzeigen innerhalb des Führerstandes werden durch ein automatisches Warnsystem (AWS) geliefert, welches die Annäherung an beschränkende Signale und kritische Geschwindigkeitsbeschränkungen anzeigt. Züge mit einer Maximalgeschwindigkeit von mehr als 160 km/h haben zwei Zugführer im Führerstand; ansonsten sind alle Führerstände im allgemeinen einfach besetzt.
  • 200 km/h ist anerkanntermaßen das Maximum einer sicheren Geschwindigkeit zum Fahren nach Liniensignalen; über dieser Geschwindigkeit werden Signalanzeigen und Geschwindigkeitsüberwachung gefordert. Sogar bei niedrigeren Geschwindigkeiten können einige Formen von Zugführerhilfen gerechtfertigt sein durch den reduzierten routenabhängigen Lernaufwand für Zugführer, die Anforderung von Einfachbesetzung von allen Zügen und erhöhte Sicherheit.
  • Das Potential der Transpondertechnologie hat daher Investitionen in Entwicklungsprogramme gerechtfertigt. Das Ziel war Erfahrung aufzubauen und Verständnis aus früheren Systemen zu ziehen, so daß ein geeignetes Transpondersystem schnell und vertraulich entwickelt werden kann, wenn eine spezifische Anforderung erwächst.
  • Eine Technik die in der Transpondertechnologie genutzt wird basiert auf induktive Kopplung. Induktion stellt einen relativ effektiven Mechanismus zur Anregung von Transpondern dar und stellt sicher, daß sie nur aktiviert werden können, wenn sie nah an der Abfrageeinheit sind. Das Letztgenannte ist eine wichtige Eigenschaft in einem Zugkontrollsystem.
  • Die Transponder wurden so ausgelegt um im niedrigen Radiofrequenzband zu arbeiten. Dieses Band ist besonders geeignet, da bei diesen Frequenzen die Signale vollständig unbeeinflußt durch Wasser und naßen Schnee sind.
  • Die bei uns genutzten Transponder hatten keine interne Stromquelle und erhielten ihre Energie von einem Trägersignal, welches durch die Abfrageeinheit generiert wird. Der Abfrageeinheitsender zirkuliert einen hochfrequenten Strom in einer Schleifenantenne. Das resultierende magnetische Feld induziert einen korrespondierenden Strom in eine Schleifenantenne in dem Transponder. Der Transponder generiert ein phasenmoduliertes Rücksignal mit der halben Frequenz des empfangenen Trägers. Andere Typen von Transponder, welche eine induktive Kopplung nutzen, sind in US3299424 und GB1483692 beschrieben.
  • Eine Analyse des Betriebes der bekannten Transpondersysteme, welche durch uns genutzt werden, hat gezeigt, daß ein stark verbessertes Rücksignal erreicht werden kann, indem die Frequenz des Rücksignals gleich der des Trägers gemacht wird. Bestenfalls bildet der gesamte in der Transponderantenne fließende Strom eine Quelle für das Rücksignal. Das Rücksignal ist in der Abfrageeinheit als Amplitudenmodulation des ausgesandten Signals zu sehen.
  • Basierend auf diesem Konzept ist das Ziel der Erfindung ein Transpondersystem darzustellen, welches eine hohe Energieausnutzung besitzt und es daher ermöglicht mit einer hohen Modulationsrate beaufschlagt zu werden, d.h. mit hohen Datenraten. Dieses erlaubt es kurze kompakte Abfragegebiete zu nutzen.
  • Gemäß der Erfindung beinhaltet ein Transponderschaltkreis zur Übermittlung einer codierten Nachricht an eine Abfrageeinheit folgendes:
  • a) eine Antenne zur induktiven Kopplung mit der Abfrageeinheit, wobei der Transponderkreis durch induktive Kopplung angeregt wird und der Transponderkreis seine codierte Nachricht zur vorgenannten Abfrageeinheit durch die induktive Kopplung sendet,
  • b) eine erste Kapazität verbunden im Schaltkreis mit der genannten Antenne, wobei ein abgestimmter Schaltkreis vorgesehen ist, welcher auf die erste Frequenz abgestimmt ist und
  • c) ein phasenkohärenter Frequenzmodulator, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Modulator beinhaltet:
  • (i) eine zweite Kapazität verbindbar mit dem genannten angepaßten Schaltkreis um den genannten abgestimmten Schaltkreis auf eine zweite niedrigere Frequenz zurück abzustimmen,
  • (ii) Schaltvorrichtungen so angeordnet, daß die zweite Kapazität periodisch in und aus dem abgestimmten Schaltkreis geschaltet wird,
  • (iii) ein Datenspeicher, dessen gespeicherte Daten in einer vorbestimmten Zeitsequenz ausgegeben werden, wenn der genannte Transponderschaltkreis angeregt wird, um die genannten Schaltvorrichtungen mit einer Sequenz von Kontrollsignalen zu versorgen, wobei die genannte zweite Kapazität in und aus dem genannten abgestimmten Schaltkreis geschaltet wird, entsprechend einer vorbestimmten Sequenz, wobei eine codierte Nachricht aus dem genannten Transponderkreis ausgesandt wird, wobei jedes Bit hiervon aus einer vorbestimmten Kombination von Zyklen der ersten und zweiten Frequenz besteht, und
  • (iv) eine Uhr angeregt durch die genannte induktive Kopplung und deren Uhrimpulse das Zeitverhalten des Kontrollsignal ausgangs vom genannten Speicher kontrollieren, wobei das Schalten zwischen der genannten ersten und zweiten Frequenz phasenkohärent stattfindet und wobei das Schalten der zweiten Kapazität in und aus dem genannten angepaßten Schaltkreis bei einem Voltmaximum stattfindet, wobei Energie gespeichert wird in der genannten zweiten Kapazität, wenn diese losgelöst wird von dem abgestimmten Schaltkreis und wobei die Energie freigelassen wird, wenn genannte zweite Kapazität wieder zurückverbunden wird zu dem abgestimmten Schaltkreis.
  • Der Modulator ist vorteilhafterweise ein binärer FSK- Modulator.
  • Ein Transpondersystem, welches einen Transponderschaltkreis im Einklang mit der Erfindung beinhaltet, wird nun im Wege eines Beispieles beschrieben, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen wird:
  • Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm des Transpondersystems und
  • Fig. 2 ist eine Grafik, welche die binäre Logik des Transponderschaltkreises zeigt.
  • Bezogen auf die Zeichnungen ist der Transponderschaltkreis in der Fig. 1 durch das allgemeine Bezugszeichen 1 und die Abfrageeinheit durch das allgemeine Bezugszeichen 2 bezeichnet.
  • Der einfachste Weg zum Verständnis des Transpondersystems ist einen lose gekoppelten durch Luft getrennten Transformer. Das Abfragegebiet 3 ist die primäre und die Antennenschleife 4 des Transponderschaltkreises 2 ist die lose gekoppelte sekundäre Windung. Mit der Transformertheorie kann gezeigt werden, daß jede geladene Impedanz verbunden mit der Schleife, nämlich der sekundären, kann zurückbezogen werden auf die primäre als eine equivalente Impedanz. Es ist diese zurückbezogene Impedanz, welche den Mechanismus für den Datentransfer darstellt.
  • Durch Modulation der Impedanz, verbunden mit der Windung 4, erscheint eine modulierte Spannung V im Abfragekreislauf 2 durch die Wirkung aus dem primären Strom, welcher auf die vorgenannte Impedanz wirkt. Dieses ist das Rück-Signal und steht im Kontrast zu den traditionellen Transpondersystemen, welche eine separate Frequenz für die Vor- und Rück- Kanäle benutzen.
  • Die Schleife 4 bildet einen Teil des abgestimmten Schaltkreises 5 wie er beschrieben werden wird.
  • Die in dieser Ausführung gewählte Modulationsmethode ist die kohärente FSK mit einem konstanten (50 %) Markierung : Raum-Verhältnis. Durch Schalten der resonanten Trägerfrequenz der Transponderschleife 4 zwischen Fc und Fc/2, die frequenzbezogene Impedanz im primären Schaltkreis bezogen auf Fc ist in der Reihenfolge niedrig und hoch. Dies ergibt eine Änderung in der Primärspannung V und ist das Transponderrücksignal. Wenn die logischen 1 als zwei Zyklen von Fc gefolgt von 1 Zyklus von Fc/2 und die logischen 0 definiert sind als 1 Zyklus von Fc/2 gefolgt von 2 Zyklen von Fc wie in Fig. 2 gezeigt, so ergibt es einen binären Code mit konstantem Verhältnis, mit einem Transponder betrieben für 50 % der Zeit bei Fc. Dies ist eine ausreichende Bedingung für eine konstante, dateninvariante Energieübertragung zum Transponder. Dies ist eine sehr vorteilhafte Eigenschaft des Transponderdesigns.
  • Das Abfragebiet ist angepaßt auf Fc durch die Kapazität C&sub1;. Die Transponderschleife 4 ist angepaßt auf Fc durch die Kapazität C&sub2; verbunden im abgestimmten Schaltkreis 5. Die Uhr zum Treiben der Transponderlogik stammt aus der Transponderschleife 4 und wird dem Speicher 6 über ein Phasenverschiebungsnetzwerk 7 zugeführt. Die Datenspeicherungsmethode im Speicher 6 entspricht einem EEPROM (elektronisch löschbarer und programmierbarer nur Lesespeicher). Das EEPROM ist ein 128 oder 266 Bit serielles Ausgangsspeicher, könnte jedoch jede beliebige Länge besitzen. Es wird genutzt mit drei Speicherorten pro Datenbit.
  • Wie sich aus dem oben gesagten ergibt, setzt sich eine Datenbitperiode aus 2 Zyklen von Fc und 1 Zyklus von Fc/2 mit insgesamt 3 kompletten Zyklen des Schaltkreises zusammen; während dieser Periode hat die Abfrageeinheit 4 Zyklen von Fc komplettiert. Folglich beinhaltet bezogen auf Fig. 2 in dieser Ausführung eine binäre logische "1" zwei Zyklen von Fc gefolgt von einem Zyklus von Fc/2 und ein binäres logisches "0" beinhaltet 1 Zyklus von Fc gefolgt durch 2 Zyklen von Fc/2 entsprechend der umgekehrten Sequenz der binären "1".
  • Der Ausgang des Speichers 6 ist genutzt zur Kontrolle der Modulation des Transponderschaltkreises. Der Modulator beinhaltet ein Leistungs-FET TR und eine Kapazität C3 verbunden mit dem abgestimmten Schaltkreis 5. Das Schalten von TR ist kontrolliert über den Ausgang des Speichers. Wenn TR nicht leitend ist, schwingt der Schaltkreis 5 in Resonanz bei Fc und ist durch C2 allein abgestimmt. Wenn TR leitet ist C3 effektiv parallel geschaltet mit C2 und stimmt den Schaltkreis 5 auf Fc/2 ab. C3 ist ungefähr gleich 3 x C2. Der Uhrenschaltkreis stellt sicher, daß die Frequenzänderung am positiven Piek der Schaltkreiswellenform stattfindet, wie es aus der Fig. 2 entnommen werden kann. Dies ermöglicht TR zu öffnen oder zu schließen bei einem Spannungsmaximum und damit bei einem Stromminimum und erhält ein phasenkontinuierliches Signal im Schaltkreis. Auch C3 behält eine hohe Restladung, wenn TR öffnet. Diese Ladung bleibt erhalten, bis der nächste Zyklus von Fc/2 benötigt wird, wenn es möglich ist, die Tankschaltkreiswellenform glatt fortzufahren.
  • Der Modulator ist überlegt entworfen, als ein paralleles Netzwerk, um den Zeitbedarf in der der Transistor im Schaltkreis ist aktiv "im Widerstand" zu minimieren. Dieses minimiert die Schaltkreisverluste.
  • Die Leistung zum Anregen des Transponderschaltkreises 1 wird von der Abfrageeinheit 2 zur Verfügung gestellt und kommt von einem Stromabnehmer 8 an der Schleife 4, welcher mit einem Stromversorgungsschaltkreis 9 verbindet.
  • Eine besondere Eigenschaft der oben beschriebenen Ausgestaltung des Transponderschaltkreises ist die Nutzung eines phasenkohärenten Modulators. Dies erzielt einen hohen Grad von Amplitudenmodulation auf die Trägerfrequenz (Fc) durch Ablenken von Energie in eine zweite Kapazität C3. Diese Energie wird zu späterer Zeit wieder gebraucht und trägt wesentlich zur Effektivität des Schaltkreises bei.

Claims (3)

1. Ein Transponderschaltkreis zur Übersendung einer codierten Nachricht an eine Abfrageeinheit (2) mit folgenden Merkmalen:
a) eine Antenne (4) zur induktiven Kopplung mit der Abfrageeinheit, wobei der Transponderschaltkreis (1) angeregt wird durch die induktive Kopplung und der Transponder seine codierte Nachricht zu der genannten Abfrageeinheit (2) durch die induktive Kopplung sendet;
b) eine erste Kapazität (C&sub2;) verbunden mit dem Schaltkreis mit der genannten Antenne (4), wobei ein abgestimmter Schaltkreis (5) zur Verfügung gestellt wird, welcher auf eine erste Frequenz (Fc) abgestimmt ist und
c) ein phasenkohärenter Frequenzmodulator dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Modulator folgendes beinhaltet:
(i) eine zweite Kapazität (C&sub3;) verbindbar mit dem genannten abgestimmten Schaltkreis (5), womit eine zweite niedrige Frequenz (Fc/2) im genannten abgestimmten Schaltkreis abgestimmt wird;
(ii) Schaltmittel (TR) angeordnet um die zweite Kapazität (C3) periodisch in und aus dem abgestimmten Schaltkreis (5) zu schalten;
(iii) ein Datenspeicher (6) dessen gespeicherten Daten in einer vorherbestimmten Zeitsequenz ausgegeben werden, wenn der genannte Transponderschaltkreis (1) angeregt wird, um eine Sequenz von Kontrollsignalen zu den genannten Schaltmitteln (TR) um die genannte zweite Kapazität (C&sub3;) in und aus dem genannten abgestimmten Schaltkreis (5) zu schalten, entsprechend einer vorherbestimmten Sequenz, wobei eine codierte Nachricht aus dem genannten Transponderschaltkreis ausgegeben wird, jedes hiervon entspricht einer vorherbestimmten Kombination von Zyklen der ersten und zweiten Frequenzen (Fc, Fc/2) und
(iv) eine Uhr angeregt durch die genannte induktive Kopplung, wobei deren Uhrimpulse das Zeitverhalten der Kontrollsignale ausgehend aus dem genannten Speicher (6) kontrolliert, wobei das Schalten zwischen der ersten und zweiten Frequenz (Fc, Fc/2) phasenkohärent stattfindet und wobei das Schalten der zweiten Kapazität in und aus dem genannten abgestimmten Schaltkreis bei Spannungsmaximum stattfindet, wobei Energie gespeichert wird in der genannten zweiten Kapazität (C&sub3;), wenn sie abgeschaltet wird von dem abgestimmten Schaltkreis und die Energie wieder freigesetzt wird, wenn die genannte zweite Kapazität (C&sub3;) wieder in den abgestimmten Schaltkreis (5) eingebunden wird.
2. Ein Transponder gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator ein binärer FSK Modulator ist.
3. Ein Transponderschaltkreis gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator ein konstantes (50%) Marke : Raumverhältnis besitzt, die relativen Werte der genannten ersten und zweiten Kapazität (C&sub2;,C&sub3;) derart gewählt sind, daß die erste Frequenz (Fc) doppelt so groß ist wie die zweite Frequenz (Fc/2), wobei eine codierte Nachricht in einer binären Form vorliegt, jedes Bit dieser Nachricht beinhaltet zwei Zyklen der genannten ersten Frequenz (Fc) und ein Zyklus der genannten zweiten Frequenz (Fc/2) und der Speicher (6) ist angeordnet um die genannten Schaltmittel (TR) zu kontrollieren, so daß ein Bit des binären Codes einen Zyklus der genannten zweiten Frequenz gefolgt von zwei Zyklen der genannten ersten Frequenz und ein anderes Bit zwei Zyklen der genannten ersten Frequenz gefolgt von einem Zyklus der genannten zweiten Frequenz beinhaltet.
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