DE4437490C2 - Hochfrequenz-Empfangseinrichtung für besondere Sicherheitsanforderungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Empfangseinrichtung für Funkdaten-Telegramme gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Funkfernsteuerungsanlagen für Baukräne, Fahrzeuge und dergleichen müssen besondere Bedingungen erfüllen, um eine Fehlfunktion des ferngesteuerten Gerätes mit Sicherheit ausschließen zu können. Hierzu werden beispielsweise mehrfach fehlergesicherte Datentelegramme, empfindliche Empfangsanlagen und dergleichen mehr eingesetzt. Auch ist ein Notstop vorhanden, der die ferngesteuerten Geräte sofort stillsetzt, wenn die Fernsteuerverbindung abreißt. Trotz aller Vorsichtsmaßnahmen kommt es jedoch immer wieder zu Übertragungsfehlern und zu Notabschaltungen. Diese Fehler sind großenteils darauf zurückzuführen, daß die vom Fernsteuersender ausgestrahlten Signale den Empfänger nicht nur auf dem direkten Weg, sondern auch in Form von Einfach- und Mehrfachreflexionen erreichen. Dieser Effekt ist besonders stark auf Baustellen, in Hallen, in Tunnels und Untertage, wo Wände, Baumaschinen, Stahlbetonteile usw. solche Reflexionen hervorrufen. Hinzu kommt, daß die ferngesteuerten Geräte sich bewegen, so daß sich die Signallaufwege ständig verändern. Aufgrund dieses sogenannten Mehrwege-Empfangs kommt es zu störenden Interferenzen im Empfänger, das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert sich und schließlich kann die Datenübertragung völlig zusammenbrechen.

Die elektrische Nachrichtentechnik kennt seit langem Lösungsprinzipien, mit denen die durch Mehrwege-Empfang ausgelösten Probleme gemildert oder gar beseitigt werden können. Eines dieser Lösungsprinzipien ist das Antennen-Diversity-Verfahren, wie es seit Langem für Toninformations-Empfangseinrichtungen eingesetzt wird. Es erfordert zusätzliche, relativ komplizierte Vergleichs- und Steuerungseinrichtungen.

Andere Lösungsansätze verwenden redundante Empfangssysteme in Verbindung, mit einem Vergleicher, der die Ausgänge aller Empfangsanlagen laufend miteinander vergleicht und jeweils den Empfänger auswählt, an dessen Antenne der höchste Signalempfangspegel gemessen wird (z. B. US 4 696 058).

Mit diesen bekannten Systemen werden die Anforderungen, die, speziell an Funkfernsteuerungen mit besonderen Sicherheitsanforderungen gestellt werden, jedoch nicht zuverlässig erfüllt. Dies ist beispielsweise darauf zurückzuführen, daß die Höhe des Antennensignalpegels nichts darüber aussagt, ob das übertragene Datentelegramm auch fehlerfrei decodiert werden kann. Interferenzen können eine Erhöhung des Antennenpegels und gleichzeitig eine Verstümmelung des Datentelegramms verursachen.

Die US 4 584 713 zeigt eine Hochfrequenz-Empfangseinrichtung mit zwei Antennen, die in Abhängigkeit von der Signalqualität an eine Empfangseinrichtung geschaltet werden. Die Signalqualität wird ermittelt durch einen Bit-Qualitäts-Decoder. Die Bitqualität wird ermittelt, indem die Integrität, d. h. die einwandfreie Rechteck-Form jedes einzelnen im Empfänger erkannten Bit überprüft wird. Dies geschieht beispielsweise durch Vierfach-Oversampling. Aus der Anzahl der gestörten Bits wird für jede Antenne eine sogenannte Fehlerrate errechnet; übersteigt die Fehlerrate der momentan aktiven Antenne die gespeicherte Fehlerrate der momentan inaktiven Antenne, wird nach Ablauf von 50 Mikrosekunden, d. h. bevor das nächste Bit in den Empfänger einläuft, auf die andere Antenne umgeschaltet.

Die Verwendung der Bit-Integrität als Umschaltkriterium zwischen den Antennen ist unzureichend. Zum einen besteht die Möglichkeit, daß ein im Wege des Oversampling als korrekt bewertetes Bit in Wirklichkeit infolge Mehrwege-Empfang gefälscht ist, zum anderen wird die Fähigkeit moderner Funkdaten-Decoder nicht ausgenützt, auch verrauschte Datentelegramme einwandfrei zu decodieren, beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Fehlersicherungscodes. Des weiteren ist nicht ausgeschlossen, daß einzelne Bits ganz verloren gehen, da die Antennenumschaltung während des laufenden Empfangs eines Datentelegramms erfolgt.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten EP 0 620 657 A1 ist eine Antennenumschaltung für einen Diversity-Empfänger beschrieben, die die Integrität der kompletten Datentelegramme auswertet. Es wird immer dann auf die nächste Antenne umgeschaltet, wenn eine vorbestimmte Fehlerzahl innerhalb eines Telegramms oder in einer Serie von Telegrammen überschritten wurde. Nach einer Antennenumschaltung wird der Antennenumschalter für die Dauer wenigstens einer vollen Telegrammlänge blockiert. Dies führt selbst dann, wenn die in Fig. 9 dargestellten Abfragewerte "m" und "s" gleich "1" gesetzt werden, dazu, daß nach einem fehlerhaft empfangenen Telegramm eine Antennenumschaltung erst nach einem weiteren eingelesenen Telegramm erfolgen kann, so daß während dieser Zeit keine sichere Datenübertragung möglich ist. Außerdem ist der tatsächliche Zeitpunkt der Antennenumschaltung nicht exakt definiert, es kann daher auch deswegen zu einem Datenverlust kommen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hochfrequenz-Empfangseinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die einen hohen Sicherheitsstandard bei der Erkennung der Funkdaten-Telegramme garantiert und insbesondere Datenverlust bei der Antennenumschaltung vermeidet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Hochfrequenz-Empfangseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die vorliegende Erfindung verwendet wie an sich bekannt zwei oder auch mehr gegenseitig beabstandete Antennen, die bedarfsweise an das einzige Empfangsteil geschaltet werden, verwendet als Schaltkriterium jedoch weder den Antennensignalpegel noch das Signal-Rausch-Verhältnis noch die Bit-Integrität, sondern ausschließlich die Fehlerfreiheit der decodierten kompletten Datentelegramme. Hierzu ist dem üblichen Funkdaten-Decoder ein Fehler-Decoder zugeordnet, der den Antennenumschalter sofort aktiviert, sobald in einem Datentelegramm ein Fehler erkannt wird. Da fehlerhafte Datentelegramme verworfen werden, entsteht durch eine Antennenumschaltung auch während des laufenden Datentelegramms kein Datenverlust. In der Praxis sind die Decoder in der Regel in einer Baugruppe integriert und mittels Mikrocomputer realisiert.

Dank des dem Fehler-Decoder zugeordneten Timers, dessen Laufzeit länger als die Pause zwischen zwei Telegrammen und so kurz ist, daß gleich nach dem ersten als fehlerhaft erkannten Telegramm umgeschaltet werden kann, d. h. kürzer als die Summe einer Telegrammlänge und einer Pause, wird einerseits sichergestellt, daß die Pause zwischen zwei Telegrammen nicht irrtümlich als Antennenumschaltsignal gewertet wird, daß aber andererseits schon nach dem ersten fehlerhaften Telegramm auf die nächste Antenne weitergeschaltet wird. Dies setzt sich automatisch so lange fort, bis das erste vollständige und fehlerfreie Datentelegramm empfangen wird. Dank dieser Maßnahme wird die Antenne mit dem fehlerfrei empfangenen Telegramm besonders schnell herausgefunden, was besonders dann von Vorteil ist, wenn mehr als zwei Empfangsantennen vorgesehen sind.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein übergeordneter Interrupt-Timer vorgesehen, dessen Laufzeit n-fach länger ist als eine Telegramm-Länge. Dieser Interrupt-Timer wird jedesmal gestartet, wenn Funkdaten ausbleiben. Ein solcher Interrupt-Timer ist in jeder handelsüblichen Sicherheits-Funkfernsteuerung eingebaut zur passiven Notaus-Abschaltung innerhalb von 2 sec.; in der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird er zusätzlich dazu verwendet, die Funkdatenübertragung abzubrechen, wenn hintereinander n gestörte Funkdaten-Telegramme erkannt werden. So wird verhindert, daß der Antennenumschalter zwischen den Antennen umschaltet, ohne jemals zum Stillstand zu kommen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält jedes Funkdaten-Telegramm außer einem Start-Bit, einem Adreß-Code, einem Daten-Code und einem Stop-Bit zusätzlich einen Sicherungs-Code. Dieser Code wird im Sender durch ein Sicherungsprogramm erzeugt; mit seiner Hilfe wird jedes empfangene Telegramm im Empfänger auf Plausibilität geprüft und, gegebenenfalls auch rekonstruiert. Es versteht sich, daß hierdurch die Sicherheit erhöht und die Empfangseigenschaften verbessert werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen.

Anhand der Zeichnung sollen die Erfindung, ihre Vorteile und ihre vorteilhaften Weiterbildungen in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert wurden. Es zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Funkdaten-Übertragungssystems im mobilen Einsatz mit besonderen Sicherheitsanforderungen und

Fig. 2 ein Flußdiagramm der Fehler-Decodierung mit Antennen-Umschaltung.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Funkdaten-Übertragungssystems im mobilen Einsatz, das besondere Sicherheitsanforderungen erfüllt.

Man erkennt zwei gegenseitig beabstandete Empfangsantennen 1, 2, deren Empfangssignal über einen Antennenumschalter 3 abwechselnd auf ein HF-Empfangsteil 4 geschaltet wird. Es können auch mehr als zwei Antennen vorgesehen sein.

Die im HF-Empfangsteil 4 demodulierten Datentelegramme gelangen in einen Funkdaten-Decoder 5, wo sie ausgewertet werden und über Ausgabeleitungen 9 die Fernsteuerung eines (nicht dargestellten) Arbeitsgerätes bewirken.

Dem Funkdaten-Decoder 5 ist ein Fehler-Decoder 8 zugeordnet.

Dieser überprüft, ob die decodierten Datentelegramme korrekt sind. Wird ein Fehler erkannt, steuert der Fehler-Decoder 8 den Antennenumschalter 3 an, der auf die nächste Antenne 2 weiterschaltet.

Fehler-Decoder 8 und Antennenumschalter 3 bilden einen Antennen-Diversity-Schaltungsteil. Umschaltkriterium ist allein die Fehlerfreiheit der empfangenen Datentelegramme.

Dem Fehler-Decoder 8 ist ein Timer 10 zugeordnet. Dessen Laufzeit ist einerseits Länger als die Pause zwischen zwei Telegrammen und andererseits, wenn wie hier angenommen die Telegramme länger sind als die Pausen, kürzer als eine Telegramm-Länge. Er wird mit dem Weiterschalten des Antennenumschalters 3 und mit jedem als fehlerfrei erkannten Telegramm neu gestartet. Während seiner Laufzeit verhindert er das Weiterschalten des Antennenumschalters 3. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Antennen 1, 2 nicht schon während der Pause zwischen zwei Datentelegrammen aber gleich nach dem ersten als fehlerhaft erkannten Telegramm umgeschaltet werden.

HF-Empfangsteil 4, Funkdaten-Decoder 5 und Fehler-Decoder 8 mit Timer 10 bilden die eigentliche Funkfernsteuerungsempfangseinheit, was durch eine gestrichelte Umrahmung 7 symbolisiert ist.

Schließlich erkennt man in Fig. 1 noch einen übergeordneten Interrupt-Timer 11. Dessen Laufzeit entspricht der n-fachen Dauer eines Datentelegramms. Der Interrupt-Timer 11 wird jedesmal neu gestartet, wenn der Funkdatendecoder 5 ein fehlerfreies Datentelegramm erkannt hat. Hat beispielsweise n den Wert sieben, so läuft der Interrupt-Timer 11 ab, wenn hintereinander sieben fehlerhafte Telegramme erkannt werden bzw. wenn überhaupt keine Datentelegramme mehr gesendet werden, weil der Fernsteuersender abgeschaltet wurde. Sobald der Interrupt-Timer 11 abgelaufen ist, wird der Antennenumschalter 3 deaktiviert und ein fortlaufendes Hin- und Herschalten der Antennen 1, 2 in Sendepausen verhindert.

Gleichzeitig setzt der Interrupt-Timer 11 einen Flag-Speicher 6 im Funkdaten-Decoder 5, dessen Bedeutung noch anhand der Fig. 2 näher erläutert wird, auf Null.

Es versteht sich, daß Funkdaten-Decoder 5 und Fehler-Decoder 8 in der Praxis in nur einer einzigen Baugruppe integriert sind, zumal solche Decodierungsaufgaben heute von Mikrocomputern durchgeführt werden. Der Mikrocomputer übernimmt dann auch die Aufgabe, den Antennenumschalter 3 in der richtigen zeitlichen Abfolge zu betätigen, was andernfalls durch ein geeignet dimensioniertes Zeitverzögerungsglied sichergestellt wird. Insbesondere wenn mehr als die in der Zeichnung dargestellten zwei Empfangsantennen 1, 2 vorgesehen sind, läßt sich die fehlerfreie Empfangsantenne am schnellsten dadurch ermitteln, daß relativ schnell weitergeschaltet wird, wenn nicht sofort ein fehlerfreies Datentelegramm anliegt.

Der Antennenumschalter 3 selbst kann wie an sich bekannt als elektromechanisches HF-Relais oder auch als Halbleiterschaltung ausgeführt sein, wie sie in der schon erwähnten US 4 584 713 beschrieben ist.

Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm der Funkdaten-Decodierung sowie der Fehler-Erkennung in Funkdaten-Decoder 5, 6 und Fehler-Decoder 8, 10. Sobald die Funkdatenübertragung gestartet und das Startbit gefunden ist, wird das S-Flag, das zunächst gelöscht war, auf "1" gesetzt. S = 1 bedeutet, daß das Startbit des laufenden Telegramms gefunden wurde. Ist das erste fehlerfreie Telegramm erkannt, wird der Fehler-Decoder 8 aktiviert, das A-Flag 6, das zunächst gelöscht war, auf "1" gesetzt und der Timer 10 gestartet. A = 1 bedeutet, daß die Antennenumschaltung aktiviert ist. Wird beim Empfang des nächsten Telegramms kein Start-Bit gefunden oder wird bei der Auswertung des komplett empfangenen Telegramms ein Fehler erkannt, wird nach Ablauf des Timers 10 sofort auf die andere Antenne 1, 2 umgeschaltet, gegebenenfalls auch während des laufenden Telegramms, das wegen des Fehlers ja verworfen wird. Sobald eine Antennenumschaltung erfolgt ist, wird der Timer 10 neu gestartet.

Der Timer 10 wird auch jedesmal gestartet, wenn ein fehlerfreies Telegramm erkannt wurde. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Antennenumschaltung zu früh erfolgt, beispielsweise weil die Pause zwischen zwei Datentelegrammen als Fehler gewertet wird.

Claims (6)

1. Hochfrequenz-Empfangseinrichtung für Funkdaten-Telegramme, umfassend

• - ein HF-Empfangsteil (4),
• - gegenseitig beabstandete Empfangsantennen (1, 2),
• - einen Antennenumschalter (3), der wechselweise eine der Antennen (1, 2) an das HF-Empfangsteil (4) anlegt,
• - einen Funkdaten-Decoder (5), der dem HF-Empfangsteil (4) nachgeschaltet ist,
• - einen Fehler-Decoder (8), der dem Funkdaten-Decoder (5) nachgeschaltet ist und den Antennen-Umschalter (3) steuert,

gekennzeichnet durch die Merkmale:

• - der Fehler-Decoder (8) schaltet den Antennenumschalter (3) schrittweise solange von Antenne (1, 2) zu Antenne (2, 1), bis der Funkdaten-Decoder (5) ein fehlerfreies Telegramm empfängt,
• - es ist ein Timer (10) vorgesehen,
• - seine Laufzeit ist länger als die Pause zwischen zwei Telegrammen und so kurz, daß gleich nach dem ersten als fehlerhaft erkannten Telegramm umgeschaltet werden kann,
• - er wird mit jedem Weiterschalten des Antennen-Umschalters (3) und mit jedem als fehlerfrei erkannten Telegramm neu gestartet,
• - während seiner Laufzeit blockiert er den Antennenumschalter (3).

2. Hochfrequenz-Empfangseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale:

• - es ist ein übergeordneter Interrupt-Timer (11) vorgesehen,
• - seine Laufzeit ist n-fach länger als eine Telegramm-Länge,
• - der Interrupt-Timer (11) startet beim Ausbleiben von Funkdaten,
• - nach seinem Ablaufen blockiert er den Antennenumschal­ ter (3).

3. Hochfrequenz-Empfangseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal:

• - jedes Funkdaten-Telegramm enthält außer einem Start-Bit, einem Adreß-Code, einem Daten-Code und einem Stop-Bit einen Sicherungs-Code.

4. Hochfrequenz-Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:

• - der Antennenumschalter (3) ist ein elektromechanisches HF-Relais.

5. Hochfrequenz-Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:

• - der Antennenumschalter (3) ist eine Halbleiterschaltung.