DE4025194A1 - Gleisstromkreis mit kreuzkorrelation - Google Patents
Gleisstromkreis mit kreuzkorrelationInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Gleisstromkreis gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solcher Gleisstromkreis ist aus einem Aufsatz von D.
Poole und D. Barker mit dem Titel "Digitally coded track
circuit", bekannt, dessen Inhalt auf der Internationalen
Konferenz "Electric Railway Systems for a New Century",
die vom 22. bis 25 September 1987 in London, England,
stattfand, vorgetragen wurde und der auch als
Konferenzpapier gedruckt vorliegt (IEE, London, England,
1987, pp xii+400.). Zur Prüfung, ob in der
aufgenommenen Gleisspannung eine dem Gleisstrom
aufgeprägte Modulation enthalten ist, wird hier eine
Korrelation des empfängerseitig gewonnenen
Modulationssignals mit einem dem
Gleisstromkreisempfänger bekannten, dem Gleisstrom
sendeseitig aufmodulierten Sollsignal durchgeführt. Als
Modulationssignale werden sogenannte Gold-Codes
verwendet, die besonders gut definierte
Autokorrelationseigenschaften besitzen.
Auch aus "Signal + Draht" 81 (1989) Heft 7/8, Seiten 158
ff ist ein derartiger Gleisstromkreis bekannt. Es wird
jedoch hier zum Vergleich des empfängerseitig gewonnenen
Modulationssignals mit einem im Gleisstromkreissender
zur Modulation verwendeten Sollcode, anstelle eines
Korrelators ein Code-Vergleicher verwendet.
Die bekannten Gleisstromkreise sind aufgrund der für die
Filterung und Demodulation erforderlichen Bauteile
aufwendig und infolge der Verwendung analoger Techniken
nicht driftfrei.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Gleisstromkreis der eingangs genannten Art zu schaffen,
der keine besonderen Filter und Demodulatoren benötigt
und driftfrei arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Der erfindungsgemäße Gleisstromkreis benötigt keine
Filterbauelemente mehr, denn die Kreuzkorrelation selbst
übt eine ausgezeichnete Filterwirkung aus. Es tragen nur
solche Signalanteile der Gleisspannung zum Wert der
Kreuzkorrelationsfunktion bei, die in ihrem zeitlichen
Verlauf mit der mit der modulierten Ausgangsspannung des
Gleisstromkreissenders synchronen Referenzspannung
übereinstimmen.
Wie die Modulation des Gleisstromes aussieht, ist
darüber hinaus gleichgültig, so lange der zeitliche
Verlauf der Ausgangsspannung des Gleisstromkreissenders
dem Gleisstromkreisempfänger bekannt ist und die
Modulation genügend trägerfrequenzfremde Frequenzanteile
enthält.
Daß der Gleisstromkreisempfänger die Ausgangsspannung
des Gleisstromkreissenders kennt kann z. B., wie im
Patentanspruch 2 angegeben, durch eine direkte Zuführung
dieser Ausgangsspannung zum Gleisstromkreisempfänger
sichergestellt werden, was sich insbesondere dann
anbietet, wenn Gleisstromkreissender und
Gleisstromkreisempfänger im selben Baugruppenträger
untergebracht sind.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist im Patentanspruch 3
angegeben und sieht die Ausgabe des fertigen modulierten
Gleisstromkreissendesignals aus einem vorab
programmierten Festwertspeicher vor. Ein besonderer
Modulator zur Modulation eines Gleisstrom-Trägersignals
wird dadurch eingespart. Da das
Gleisstromkreissendesignal hier in digitaler Form zur
Verfügung steht, stellt es keinen größeren Aufwand dar,
es in digitaler Form als Referenzsignal zum Empfänger zu
übertragen. Die Übertragung wird damit
störungsunanfälliger. Eine besondere A/D-Wandlung im
Gleisstromkreisempfänger bei digital arbeitendem
Korrelator entfällt.
Eine im Patentanspruch 4 wiedergegebene Ausgestaltung
der Erfindung betrifft die Umsetzung des in digitaler
Form gespeicherten Gleisstromkreissendesignals in ein
Steuersignal für eine Gleisstromquelle.
Die in den Patentansprüchen 3 und 4 beschriebenen
Ausgestaltungen setzen das Vorhandensein einer im
Patentanspruch 2 beanspruchten Übertragungsleitung nicht
voraus, wenn die zur Kreuzkorrelation benötigte
Referenzspannung dem Gleisstromkreisempfänger
anderweitig zur Verfügung gestellt werden kann.
Die Patentansprüche 5 und 6 entsprechen deshalb bis auf
den Rückbezug auf Patentanspruch 2 den Patentansprüchen
3 und 4.
Der auf die Patentansprüche 5 und 6 rückbezogene
Patentanspruch 7 sieht als Weiterbildung der Erfindung
die Erzeugung der vom Korrelator im
Gleisstromkreisempfänger benötigten Referenzspannung mit
Hilfe eines Festwertspeichers vor, der in gleicher Weise
vorprogrammiert ist, wie der Festwertspeicher des
Gleisstromkreissenders und mit einem dem Auslesetakt des
Gleisstromkreissenders gleichfrequenten Takt ausgelesen
wird. Eine Übertragungsleitung zwischen
Gleisstromkreissender und Gleisstromkreisempfänger wird
damit überflüssig. Letzteres ist vor allem dann
vorteilhaft, wenn Gleisstromkreissender und
Gleisstromkreisempfänger voneinander räumlich getrennt
untergebracht werden sollen.
Patentanspruch 8 betrifft eine Möglichkeit, eine
Besetztmeldung aufgrund echter Besetzung des
Gleisstromkreises von einer Besetztmeldung aufgrund
einer Störung (z. B. Übersteuerung des
Gleisstromkreisempfängereingangs bei
Schleifenunterbrechung) zu unterscheiden.
Eine im Patentanspruch 9 angegebene Weiterbildung der
Erfindung betrifft eine Vereinfachung bei direkter
Übertragung eines Referenzsignals vom
Gleisstromkreissender zum Gleisstromkreisempfänger.
Patentanspruch 10, schließlich, betrifft den Einsatz
eines Rechners zur Ausführung der Korrelatorfunktion und
Bewertung der Korrelator-Ausgangsspannung.
Anhand von 3 Figuren soll nun ein Ausführungsbeispiel
des Gleisstromkreises nach der Erfindung eingehend
beschrieben werden:
Fig. 1 zeigt schematisch die Ausbildung eines
isolierstoßfreien Gleisstromkreises an einem
Gleis,
Fig. 2 zeigt einen Gleisstromkreissender nach der
Erfindung,
Fig. 3 zeigt einen Gleisstromkreisempfänger nach der
Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Gleis GL dargestellt, dessen Schienen
SCH durch zwei Schienenverbinder (sogenannte
S-Verbinder) SV1 und SV2 elektrisch miteinander
verbunden sind. Die Schienenverbinder stellen
Kurzschlüsse dar, die erstens einen Ausgleich des
Triebrückstromes zwischen beiden Schienen ermöglichen
und zweitens elektrische Trennstöße bilden, die jeweils
zwei aneinandergrenzende Gleisstromkreise voneinander
trennen. Ein zwischen den beiden Schienenverbindern SV1
und SV2 liegender Gleisabschnitt GA ist durch einen
Gleisstromkreis gesichert. Er wird an einer
Einspeisestelle ES durch einen Gleisstromkreissender S
über eine erste Koppelschleife KS1, die mit den Schienen
und dem Schienenverbinder SV1 induktiv gekoppelt ist,
mit einem modulierten Gleisstrom gespeist. Der
Gleisstrom fließt über den an einer Ausspeisestelle AS
befindlichen Schienenverbinder SV2 und induziert in
einer zweiten, mit dem Schienenverbinder SV2 und den
Schienen induktiv gekoppelten Koppelschleife KS2 eine
Gleisspannung, die von einem Gleisstromkreisempfänger E
ausgewertet wird. Weitere in Fig. 1 dargestellte
Koppelschleifen KS3, KS4 gehören zu
Nachbargleisstromkreisen. Eine Signalleitung L verbindet
Gleisstromkreissender S und Gleisstromkreisempfänger E
miteinander und dient der Übertragung von
Synchronisationssignalen oder Codeauswahlsignalen.
Selbstverständlich kann anstelle einer Ein- und
Ausspeisung über Koppelschleifen auch eine direkte Ein
und Ausspeisung oder eine direkte Einspeisung mit
induktiver Auskopplung vorgesehen werden. Letzteres ist
z. B. bei mittengespeisten Doppelgleisstromkreisen üblich.
Der Gleisstromkreisempfänger E gibt dann ein
Gleisfreisignal über einen Gleisfreimeldekanal GF an ein
Stellwerk SW aus, wenn die über die Koppelschleife KS2
aufgenommene Gleisspannung einen vorgegebenen
Schwellwert übersteigt und zusätzlich die vom
Gleisstromkreissender dem Gleisstrom aufgeprägte
Modulation aufweist. Wird der Gleisstromkreis durch
Achsen eines Fahrzeuges kurzgeschlossen, so sinkt die
Gleisspannung unter den Schwellwert und es wird über
einen Gleisbesetztmeldekanal GB eine Besetztmeldung an
das Stellwerk ausgegeben.
Das Zusatzkriterium Übereinstimmung der Modulation im
Sende- und im Empfangssignal als Voraussetzung für eine
Gleisfreimeldung ist trotz höchstmöglicher Selektivität
des Gleisstromkreisempfängers notwendig, da die heute in
großer Zahl im Dienst befindlichen
phasenanschnittgesteuerten Fahrzeuge Störströme jeder
beliebigen Frequenz erzeugen können und deshalb nicht
sicher auszuschließen ist, daß in einem besetzten
Gleisabschnitt der Schwellwert der Gleisspannung
überschritten wird, was ohne Zusatzkriterium eine
Gleisfreimeldung bewirken würde. Wird ein
Modulationsvergleich zusätzlich durchgeführt und die
Ausgabe einer Gleisfreimeldung von der Übereinstimmung
der Modulationssignale abhängig gemacht, so ist die
Gleisfreimeldung als sicher anzusehen, denn es ist
auszuschließen, daß ein Fahrzeug den exakten
Modulationscode nachbildet.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte, in bekannter
Weise ausgeführte Gleisstromkreis enthält eine große
Anzahl von Bauelementen, z. B. Abstimmbaugruppen und
Eingangsfilter, die den selektiven Empfang der
Gleisstromfrequenz sicherstellen und andere Frequenzen,
z. B. die unterschiedlichen Gleisstromfrequenzen der
Nachbargleiskreise ausfiltern. Die Abstimmbaugruppen und
Eingangsfilter müssen für jede Gleisstromfrequenz
speziell ausgelegt sein und an jeden Gleisstromkreis
individuell angepaßt werden.
In Fig. 2 ist ein Gleisstromkreissender schematisch
dargestellt, wie er in einem Gleisstromkreis nach der
Erfindung eingesetzt werden kann.
In einem programmierbaren Festwertspeicher SPS sind
verschiedene Sendesignalabläufe (Träger + Modulation)
vorab in Form einer Folge von Bytes gespeichert. Jedes
im Speicher enthaltene Byte gibt einen ganz bestimmten
Amplitudenwert des Sendesignals vor.
Ein Taktgeber TG steuert zwei Zähler Z1 und Z2, den
Zähler Z2 direkt und den Zähler Z1 über einen Teiler TL
an. Der Zähler Z1 gibt eine Folge von Adressen der im
Festwertspeicher gespeicherten Bytes aus und sorgt so
dafür, daß eine entsprechende Folge von Bytes auf den
einstellbaren Zähler Z2 ausgegeben wird.
Diese Folge von Bytes stellt, wenn sie dicht genug ist,
z. B. 10 Bytes pro Trägerperiode aufweist, bereits das
fertige (modulierte) Sendesignal dar, das, zyklisch
wiederholt, nur noch durch einen Tiefpaß in ein
Analogsignal umgesetzt und verstärkt zu werden braucht,
um in das Gleis GL eingespeist werden zu können.
Die D/A-Umsetzung besorgt der Zähler Z2, wenn er von
jedem eingelesenen Byte parallel voreingestellt und
durch den schnellen Takt des Taktgebers zurückgetaktet
wird und während des Zurücktaktens z. B. L-Signal an
seinem Ausgang ausgibt. Er erzeugt damit an seinem
Ausgang ein pulsbreitenmoduliertes Analogsignal, das
direkt zur Steuerung einer Gleisstromquelle benutzt
werden kann.
Der Festwertspeicher kann leicht so groß ausgelegt
werden, daß mehrere unterschiedliche Sendesignalzyklen
gespeichert und z. B. mittels eines nicht dargestellten
Auswahlschalters TA unter Verwendung der höherwertigen
Adressbits des Speichers ausgewählt werden können. Damit
können benachbarten Gleisstromkreisen jeweils
unterschiedliche Gleisstromverläufe zugeordnet werden.
Es kann z. B. ein Speicher verwendet werden, der 16
Adressbits aufweist, von denen 12 der Anwahl und Ausgabe
der insgesamt 212 Bytes des jeweils ausgewählten
Sendesignalzyklus dienen. Die restlichen 4
(höherwertigen) Adressbits dienen dann der Auswahl von
24=16 unterschiedlichen Sendesignalzyklen.
Das Ausgangssignal des Festwertspeichers wird zusätzlich
über eine Datenleitung L1 in digitaler Form dem
Gleisstromkreisempfänger E übermittelt und dort einem
Korrelator zugeführt, der eine Kreuzkorrelation zwischen
einer an der Ausspeisestelle des Gleisabschnitts
abgegriffenen Gleisspannung und der vom
Gleisstromkreissender her übermittelten Spannung
durchführt.
Die Gleisspannung wird hierzu verstärkt und in digitale
Form umgewandelt.
Als Korrelator wird zweckmäßig ein Mikrorechner
verwendet, der den Wert der Kreuzkorrelationsfunktion
z. B. über jeden Signalzyklus berechnet und die
Verschiebungszeit τ so einregelt, daß KKF maximal wird.
Der Rechner bewertet auch die Höhe des Maximums
gegenüber einem vorgegebenen, fest abgespeicherten
Schwellwert und gibt ein Gleisfreimeldesignal ab, wenn
das Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion den
Schwellwert übersteigt. Bleibt das Maximum der
Kreuzkorrelationsfunktion unterhalb des Schwellwertes,
wird der Gleisabschnitt besetzt gemeldet. Eine
zusätzliche Störungsmeldung wird ausgegeben, wenn ein
hoher Effektivwert der Gleisspannung festgestellt wird,
jedoch die Korrelationsfunktion einen niedrigen
Maximalwert aufweist. Die Bestimmung des Effektivwertes
der Gleisspannung kann dabei durch Berechnung der
Autokorrelationsfunktion des Gleisspannungssignals
erfolgen, deren Wert dem Effektivwert entspricht.
In Fig. 3 ist ein Gleisstromkreisempfänger dargestellt,
der, wie vorstehend beschrieben, einen Rechner R als
Korrelator und einen A/D-Wandler W zur Umwandlung der am
Gleis GL abgegriffenen Gleisspannung in digitale Form
aufweist. Der Rechner bezieht seinen Arbeitstakt aus
einem quarzstabilisierten Taktgeber TG1. Sein zur
Korrelation mit dem Gleisspannungssignal benötigtes
Referenzsignal erhält der Rechner aber nicht vom
Gleisstromkreissender, sondern aus einem
empfängerseitigen Festwertspeicher SPE, dessen Größe und
Inhalt dem Festwertspeicher SPS des
Gleisstromkreissenders genau entspricht. Über einen Bus
B steuert der Rechner die Ausgabe des jeweils gewählten
Signalzyklus und liest diesen als Referenzsignal ein.
Sofern der Takt des Taktgebers TG1 mit dem Takt des
Taktgebers TG des Gleisstromkreissenders übereinstimmt
und am Auswahlschalter derselbe Signalzyklus eingestellt
ist wie am Auswahlschalter des Gleisstromkreissenders,
entspricht das vom Rechner R aus dem Speicher SPE
ausgelesene Signal genau dem Sendesignal des
Gleisstromkreissenders und kann als Referenzsignal
verwendet werden. Geringe Abweichungen der
Quarzfrequenzen der beiden Taktgeber werden durch die
Nachführung der Zeitverschiebung τ bei der Bestimmung
des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion ausgeregelt.
Der Gleisstromkreisempfänger nach Fig. 3 ermöglicht
somit die Ausgabe einer Gleisfreimeldung auf einen
Gleisfreimeldekanal GF, einer Gleisbesetztmeldung auf
einen Gleisbesetztmeldekanal GB und einer
Störungsmeldung auf einen Störungsmeldekanal ST ohne
eine zusätzliche direkte Verbindung zwischen
Gleisstromkreissender und Gleisstromkreisempfänger zu
benötigen.
Claims (10)
1. Gleisstromkreis mit einem Gleisstromkreissender, der
an einer Einspeisestelle einen modulierten Gleisstrom in
die Schienen eines Gleisabschnittes einspeist und mit
einem einen Korrelator enthaltenden
Gleisstromkreisempfänger, der eine an einer
Ausspeisestelle an den Schienen des Gleisabschnittes
anstehende oder dort in einer Koppelschleife induzierte
Gleisspannung aufnimmt und auswertet und eine
Freimeldung für den Gleisabschnitt ausgibt, wenn der
durch den eingespeisten Gleisstrom hervorgerufene Teil
der aufgenommenen Gleisspannung eine vorgegebene
Mindestamplitude aufweist und zusätzlich eine dem
Gleisstrom aufgeprägte Modulation enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Korrelator (R) des Gleisstromkreisempfängers (E) eine
Kreuzkorrelation der aufgenommenen Gleisspannung mit
einer in ihrem zeitlichen Verlauf mit der
Ausgangsspannung des Gleisstromkreissenders (S)
übereinstimmenden Referenzspannung durchführt, dabei das
Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion ermittelt und ein
Gleisfreimeldesignal ausgibt, wenn dieses Maximum einen
vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
2. Gleisstromkreis nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Übertragungsleitung (L)
zwischen Gleisstromkreissender und
Gleisstromkreisempfänger vorgesehen ist, über die dem
Korrelator des Gleisstromkreisempfängers die
Ausgangsspannung des Gleisstromkreissenders oder ein aus
dieser abgeleitetes Signal als Referenzspannung
zugeführt wird.
3. Gleisstromkreis nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß als Gleisstromkreissender eine
steuerbare Stromquelle verwendet wird, der ein vorab
erzeugtes, in einem Festwertspeicher (SPS) als Folge
digitaler Amplitudenwerte abgelegtes und aus diesem
zyklisch mit einem stabilisierten Takt ausgelesenes
Sendesignal als Steuersignal zugeführt wird.
4. Gleisstromkreis nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die steuerbare Stromquelle einen
voreinstellbaren Zähler (Z2) enthält, der als
Pulsbreitenmodulator arbeitet und aufeinanderfolgende,
aus dem Festwertspeicher (SPS) ausgelesene Byte des
Sendesignals in Steuerimpulse umwandelt, deren Breite
dem im jeweiligen Byte angegebenen Amplitudenwert
proportional ist.
5. Gleisstromkreis nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß als Gleisstromkreissender eine
steuerbare Stromquelle verwendet wird, der ein vorab
erzeugtes, in einem Festwertspeicher (SPS) als Folge
digitaler Amplitudenwerte abgelegtes und aus diesem
zyklisch mit einem stabilisierten Takt ausgelesenes
Sendesignal als Steuersignal zugeführt wird.
6. Gleisstromkreis nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die steuerbare Stromquelle einen
voreinstellbaren Zähler (Z2) enthält, der als
Pulsbreitenmodulator arbeitet und aufeinanderfolgende,
aus dem Festwertspeicher (SPS) ausgelesene Byte des
Sendesignals in Steuerimpulse umwandelt, deren Breite
dem im jeweiligen Byte angegebenen Amplitudenwert
proportional ist.
7. Gleisstromkreis nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Korrelator (R) des
Gleisstromkreisempfängers (E) als Referenzspannung ein
vorab erzeugtes, dem im Festwertspeicher des
Gleisstromkreissenders abgelegten Sendesignal
entsprechendes, in einem empfangsseitigen
Festwertspeicher (SPE) abgelegtes und aus diesem mit
einem stabilisierten, dem im Gleisstromkreissender (S)
zum Auslesen des Sendesignals verwendeten Takt
gleichfrequenten Takt ausgelesenes Signal zugeführt wird.
8. Gleisstromkreis nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im
Gleisstromkreisempfänger zusätzlich eine
Effektivwertermittlung des Gleisspannungssignals erfolgt
und daß eine Störungsmeldung ausgegeben wird, wenn bei
niedrigem Maximalwert der Kreuzkorrelationsfunktion ein
einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigender
Effektivwert des Gleisspannungssignals gemessen wird.
9. Gleisstromkreis nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Korrelator zum Suchen des
Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion das Signum der
Referenzspannung mit der aufgenommenen Gleisspannung
korreliert.
10. Gleisstromkreis nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Korrelator
(R) und zur Bewertung der Korrelator-Ausgangsspannung
ein Mikrorechner verwendet wird.
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EP0470416A3 (en) | 1993-05-12 |
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