EP2465206A1 - Verfahren zur drahtlosen übertragung von daten zwischen einer mehrzahl von in einem rotierbaren bauteil angeordneten kommunikationseinheiten und rotierbares bauteil - Google Patents

Verfahren zur drahtlosen übertragung von daten zwischen einer mehrzahl von in einem rotierbaren bauteil angeordneten kommunikationseinheiten und rotierbares bauteil

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EP2465206A1
EP2465206A1 EP10744517A EP10744517A EP2465206A1 EP 2465206 A1 EP2465206 A1 EP 2465206A1 EP 10744517 A EP10744517 A EP 10744517A EP 10744517 A EP10744517 A EP 10744517A EP 2465206 A1 EP2465206 A1 EP 2465206A1
Authority
EP
European Patent Office
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data
frequency
transmission
communication unit
transmitted
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10744517A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Claus Kupferschmidt
Amina Ayadi-Miessen
Feng Zheng
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TELEMETRIE ELEKTRONIK GmbH
Original Assignee
Leibniz Universitaet Hannover
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Filing date
Publication date
Application filed by Leibniz Universitaet Hannover filed Critical Leibniz Universitaet Hannover
Publication of EP2465206A1 publication Critical patent/EP2465206A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/69—Spread spectrum techniques
    • H04B1/7163—Spread spectrum techniques using impulse radio
    • H04B1/719—Interference-related aspects
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/69—Spread spectrum techniques
    • H04B1/7163—Spread spectrum techniques using impulse radio
    • H04B1/7183—Synchronisation

Definitions

  • the invention relates to a method for the wireless transmission of data between at least one arranged in or on a rotatable component communication unit to which at least one sensor (S) and / or actuator is connected, and at least one arranged in radio reception range outside of the rotating component base communication unit.
  • the invention further relates to a rotatable component having at least one communication unit for the wireless transmission of data between the at least one communication unit and at least one base communication unit arranged in the radio reception range outside the rotating component.
  • sensors In rotor telemetry, sensors record measured data of physical parameters, such as pressure, temperature or vibration, at predominantly rotating components. These parameters are emitted via special communication units mounted in or on the rotatable component and provided with moving antennas in the form of data of a transmission signal and received and evaluated by static antennas of at least one base communication unit arranged in radio reception range on the circumference of the rotatable component. Due to increasing demands on transmission systems with rotor telemetry in terms of higher flexibility and data rate, the transmitters and receivers are increasingly being realized digitally.
  • the known digital radio-based systems of the Rotortelemetrie are based on narrow-band, low-rate Einlinihabilit having a limited data rate for a frequency channel.
  • Such a telemetry module for a rotating component is known, for example, from EP 1 843 011 A2.
  • the data streams can be transmitted via a plurality of lower-rate radio-frequency carriers, so that the symbol duration per carrier can be significantly greater than the dispersion of the radio channel. Although this counteracts a strong symbol interference.
  • the circuit complexity for the rotor-side communication units increases proportionally with the number of different high-frequency carriers used.
  • the object is achieved by the method of the type mentioned by transmission of the data in the ultra-wideband radio transmission method on a frequency spectrum of more than 500 MHz or a frequency bandwidth of more than 0.2 times the average transmission frequency.
  • Ultra Wide Band (UWB) technology is used for rotor telemetry.
  • the data is transmitted broadband without modulation to a specific carrier frequency.
  • Ultra-wideband technology is particularly suitable for rotor telemetry, in particular because it supports only low power and short transmission paths.
  • the short pulses required for pulse data transmission for example, require only low transmission powers, which can be introduced inductively into the rotating component and the communication units arranged therein without difficulty.
  • the UWB data transmission technology has the advantage over conventional narrowband telemetry systems that the transmission is less affected by narrow-band in-band interferers, since only a small frequency range of the UWB useful signal is disturbed. Such a disturbance can be done for example by mobile devices or WLAN systems.
  • the ultra-wideband technology has the advantage that a large number of similar communication units can be used in a rotatable component, all of which have the same transmitter structure.
  • the data from a plurality of sensors can then be written to a single base communication unit at almost the same time by means of at least one communication unit, e.g. by means of a time-slot method or a sensor-dependent coding, e.g. with a spreading method, or a combination thereof.
  • the data to be transmitted in the communication units are pulse-position-modulated by a pulse, preferably without modulation.
  • modulation on a carrier frequency in a time offset to a respective pulse reference time, which is selected in dependence on the information to be transmitted, is emitted.
  • impulse radio method in which the UWB data transmission is realized by means of successive, very short pulses in the order of about one or more nanoseconds.
  • Such pulses can be generated very circuit and energy efficient, for example by an analog diode circuit.
  • the transmission unit of the communication units integrated in a rotatable component can thus be miniaturized, which is of great importance for the industrial application of rotor telemetry.
  • DSPAM direct sequence pulse amplitude modulation
  • multiband OFDM multiband orthogonal frequency division multiplexing
  • the UWB data transmission can also be done by a direct sequence code division multiple access transmission (direct sequence code division multiple access transmission, DS-CDMA) by the data to be transmitted or the information to be sent with a fixed predetermined or pseudo-random spreading code multiplied.
  • the information to be sent is usually binary data signals from the plurality of sensors multiplied by appropriate spreading codes.
  • the result can be modulated onto the UWB pulses, for example by means of pulse amplitude modulation, and these modulated pulses can be transmitted.
  • the maximum The number of different sensors is determined by the number of available spreading codes.
  • the transmission quality depends on the required data rate and the expected signal-to-noise ratio (SNR) at the receiving end.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the electrical energy for supplying the communication units is inductively coupled.
  • the effort for the communication units and the optionally connected thereto or integrated therein sensors and / or actuators can be reduced because a separate to be integrated into the rotatable component energy supply.
  • Doppler shifts of the individual useful frequencies may occur, in particular at very high revolutions due to the rotational speeds. These are frequency-dependent, so it is advantageous for ultra-wideband radio transmission to determine these frequency-dependent Doppler shifts for frequencies of the frequency spectrum as a function of the rotational speed of the rotating component, and by suitable algorithms, tables or correlators with subsequent filters the Doppler shifts in the received signal to compensate.
  • the determination of the frequency-dependent Doppler shift can take place, for example, by estimating in particular using a plurality of correlators.
  • each correlator may e.g. calculate a cross-ambiguity function for an assumed Doppler shift, i. with the help of a cross-correlation. The maximum of these correlators provides a rough estimate for the Doppler shift.
  • the compensation of the Doppler shifts can be done for example by means of frequency-dependent parameterized interpolation filter and / or by means of phase locked loops.
  • each sensor is assigned an individual code sequence for determining transmission time slots and a comparison signal for correlation with the received data transmission signal by delaying the individual code sequences in dependence on the known data transmission path known data transmission path delays.
  • the object of the invention is furthermore to provide an improved rotatable component with at least one communication unit, to which at least one sensor or actuator is connected, for the wireless transmission of data between the at least one communication unit and at least one base communication unit arranged outside the rotating component in radio reception range that allows fast transfer of high data volumes of a plurality of communication units to the at least one base communication unit.
  • the object is achieved with the rotatable component of the type mentioned above in that the communication units for transmitting the data in the ultra-wideband radio transmission method to a frequency spectrum of more than 500 MHz or a frequency bandwidth of more than 0.2 times the average transmission frequency after the are formed above described method.
  • Figure 1 sketch of a rotatable component with communication units and a static base communication unit
  • Figure 2 is a block diagram of a receiver structure of a base communication unit
  • FIG. 3 is a block diagram of a sensor detector of a basic communication unit for the time-jump pulse position modulation method (TH-PPM);
  • FIG. 4 shows a block diagram of a sensor detector of a basic communication unit for the direct sequence pulse amplitude modulation method (DSPAM).
  • DSPAM direct sequence pulse amplitude modulation method
  • FIG. 1 shows a sketch of a rotatable component 1 with a communication unit 2 arranged thereon, which are connected to or include sensors S and / or actuators mounted in or on the rotatable component 1.
  • the at least one communication unit 2 each has its own antenna 3. In the event that multiple communication units 2 are present, these u. U. also share a common antenna (not shown).
  • the at least one communication unit 2 serves to exchange data unidirectionally or bidirectionally with at least one basic communication unit 4. Such data may in particular be measurement data from sensors S which are connected to a communication unit 2. It is also conceivable that control data for controlling actuators are sent from the base communication unit 4 to the communication unit 2 connected to the actuator to be controlled.
  • the basic communication unit 4 is arranged at least with its antenna 5 in radio reception range.
  • the communication units 2 and the base communication unit 4 are set up in order to transmit data in the ultra-wideband network.
  • Radio Transmission Method UWB
  • a frequency spectrum for data transmission of more than 500 MHz or a frequency bandwidth of more than 0.2 times the average transmission frequency is used.
  • the relative bandwidth, ie the ratio of absolute bandwidth to average frequency is thus set to a value of at least 0.2.
  • the absolute bandwidth is at least 500 MHz.
  • an energy-saving UWB-based transmission system For wireless data transmission in the case of radio-assisted rotor telemetry, an energy-saving UWB-based transmission system is thus used in which no separate frequency band is occupied. Rather, the ultra-wideband radio transmission methods can use already allocated frequency bands and form a so-called "overlay" system, which is possible without serious interference, since in typical application scenarios the power density spectrum of received UWB signals is lower than the background noise Transmit Power Density is typically below the maximum allowable radiated emissions of electrical equipment Because data transmission is not dependent on one or more carrier frequencies to which the transmitted data is modulated, only one UWB antenna is required for all communication units.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a section of a basic communication unit 4. The components required for receiving the radio signals, such as antenna and preamplifier are not shown.
  • the received signal r (t) is subjected in a Doppler compensation unit 6 to Doppler compensation.
  • the Doppler shifts of the individual useful frequencies of the received signal r (t) caused by the rotational speeds are eliminated.
  • the frequency-dependent Doppler shift results in a deviation that behaves like a sampling clock error on the received signal r (t).
  • this is first estimated in the Doppler compensation unit 6. This can be done by a method based on several correlators. Each correlator can z. For example, calculate a cross ambiguity function for an assumed Doppler shift.
  • the maximum of this correlation Toren provides a rough estimate of the Doppler shift.
  • the rough Doppler shift can be compensated with the help of eg interpolation filters.
  • a phase-locked loop PLL phase-locked loop
  • the index K is the number of communication units 2 and the number of sensors S connected to a communication unit 2, respectively.
  • the base communication unit 4 has a number K of sensor detectors 7a, 7b,... 7K which, from the common received signal F (t) corrected for the Doppler effect, the individual receive symbols a k of the k th sensor S and the k th communication unit 2, respectively determined.
  • the detection of the reception symbols a k is dependent on the modulation methods of the ultra-wideband radio transmission method UWB actually used by the individual communication units 2.
  • the UWB technology offers several options, two of which are exemplified below.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a sensor detector 7 of a basic communication unit for the time-hopping pulse position modulation method TH-PPM (Time Hopping (TH) Pulse Position Modulation (PPM)).
  • TH-PPM Time Hopping (TH) Pulse Position Modulation
  • This method is based on the impulse radio technology, in which successive very short pulses on the order of a nanosecond are used. These pulses can be very circuit and energy efficient in the transmitter of the communication units 2 eg generated by an analog diode circuit. Since the pulses are very short in time, the digital information of the individual sensors S can be determined by the position of the pulses.
  • TH-PPM Time Hopping (TH) Pulse Position Modulation
  • the transmitting signal of the k-th communication unit 2 is defined by:
  • T S N C * T C , (3)
  • N c is the number of chips per frame.
  • a k describes the bit sequence a k € ⁇ -1.1 ⁇ and ⁇ the modulation constant.
  • the received signal of the k-th sensor S is superimposed over the multipath transmission as follows:
  • r k (t) ⁇ A c1 , ⁇ M t - j T s - c ⁇ T c - ⁇ a [- ⁇ kl ) + n (t), (4)
  • the individual communication units 2 or sensors S are separated from each other by their code c k .
  • the codes c k are the
  • the codes c k set at which times the individual sensors S transmit messages.
  • the channel must be estimated so that the path losses A k , and the path delays ⁇ kJ become known.
  • the received signal F (t) is correlated with the adjusted template signal v (t). This happens for each path / channel for all frames according to the rule:
  • the coefficients a k the strongest L paths are added.
  • the reception symbol a k of the k-th sensor S is determined.
  • the Doppler compensation unit 6 estimates and compensates for the Doppler shift.
  • the sensor selector then selects the information of a specific communication unit 2 or of a specific sensor S connected to a common communication unit 2 or assigns the information to the individual sensors S.
  • a sequence generator is used which contains the code c [of the kth sensor
  • the frame clock is generated, for example, as a weighted and delayed pulse train.
  • a PPM demolator or a sequence delay is used to delay the pulse train by c k T c .
  • a template generator filters the input pulse sequence with the template signal v (t). The correlator multiplies that Receive signal r (t) with the superimposed delayed template signal and integrated over a frame duration. With a summation, all coefficients a k , over L
  • a decision maker uses a threshold to decide which symbol was sent.
  • FIG. 4 shows a block diagram of a sensor detector of a basic communication unit for the direct sequence pulse amplitude modulation (DS-PAM) method.
  • the transmitted signal of the k-th sensor S is defined by:
  • the received signal is disturbed in the DS-PAM method by multipath propagation and noise, as described by the above equation (2).
  • all the signals of the sensors S are superposed according to the above-described equation (3).
  • the sensor detection is similar to the TH-PPM method described above.
  • the main difference lies in the demodulation.
  • the basic structure of the receiver is the same as shown in FIG.
  • the template signal v (t) differs by another influence of the code c [of the k-th sensor S due to the spreading code.
  • the coefficients a kJ in the DS-PAM method are defined as follows for the k-th sensor S:
  • the task of the communication units 2 is very simple compared to scaled narrowband systems.
  • the process is also characterized by a significantly higher data rate (about 30 times compared to scaled narrowband systems) and a relatively low energy consumption.
  • the described method also has very high immunity to inband interferers due to bandwidth diversity.
  • the low transmission power can also ensure that other radio systems are not disturbed.

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Abstract

Ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Daten zwischen mindestens einer in oder an einem rotierbaren Bauteil (1) angeordneten Kommunikationseinheit (2), an die jeweils mindestens ein Sensor (S) und/oder Aktor angeschlossen ist, und mindestens einer in Funkempfangsreichweite außerhalb des rotierbaren Bauteils angeordneten Basiskommunikationseinheit (4), wird beschrieben. Es wird eine Übertragung der Daten im Ultrabreitband-Funkübertragungsverfahren (UWB) auf einem Frequenzspektrum von mehr als 500 MHz oder einer Frequenzbandbreite von mehr als dem 0,2-fachen der mittleren Übertragungsfrequenz vorgeschlagen.

Description

Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Daten zwischen einer Mehrzahl von in einem rotierbaren Bauteil angeordneten Kommunikationseinheiten und rotierbares Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Daten zwischen mindestens einer in oder an einem rotierbaren Bauteil angeordneten Kommunikationseinheit, an die jeweils mindestens ein Sensor (S) und/oder Aktor angeschlossen ist, und mindestens einer in Funkempfangsreichweite außerhalb des rotierenden Bauteils angeordneten Basiskommunikationseinheit.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein rotierbares Bauteil mit mindestens einer Kommunikationseinheit zur drahtlosen Übertragung von Daten zwischen der mindestens einen Kommunikationseinheit und mindestens einer in Funkempfangsreichweite außerhalb des rotierenden Bauteils angeordneten Basiskommunikationseinheit.
In der Rotortelemetrie erfassen Sensoren Messdaten physikalischer Parameter, wie Druck, Temperatur oder Schwingung, an vorwiegend rotierenden Bauteilen. Diese Parameter werden über spezielle, in oder an dem rotierbaren Bauteil befestigte und mit bewegten Antennen versehene Kommunikationseinheiten in Form von Daten eines Sendesignals abgestrahlt und von statischen, in Funkempfangsreichweite am Umfang des rotierbaren Bauteils angeordneten Antennen mindestens einer Basiskommunikationseinheit empfangen und ausgewertet. Aufgrund steigender Anforderungen an Übertragung s Systeme mit Rotortelemetrie hinsichtlich höherer Flexibilität und Datenrate werden die Sender und Empfänger in zunehmendem Maße digital realisiert.
Die bekannten digitalen funkgestützten Systeme der Rotortelemetrie basieren auf schmalbandigen, niederratigen Einträgerverfahren, die eine begrenzte Datenrate für einen Frequenzkanal aufweisen. Ein solches Telemetriemodul für ein rotierendes Bauteil ist beispielsweise aus der EP 1 843 011 A2 bekannt.
In Claus W. Kupferschmidt: Modellierung zyklisch stationärer Kanäle für die funkgestützte Rotortelemetrie, Hannoversche Beiträge zur Nachrichtentechnik, 1. Auflage, 09/2007, Shaker-Verlag sind die herkömmlichen für die Rotortelemetrie genutzten Verfahren zur Datenübertragung beschrieben, die allesamt eine Modulation auf einen Hochfrequenzträger einsetzen. Bei der Nutzung solcher zentraler Hochfrequenzträger führt eine hohe Datenrate des Senders zu einer verringerten Symboldauer. Die Effekte der Mehrwegeausbreitung werden bei Verkürzung von Symbolen immer problematischer. Wenn die Dispersion des Funkkanals in der Größenordnung der Symboldauer oder deutlich darüber liegt, wird die Übertragungsqualität durch starke Symbolinterferenz gestört. Dies erfordert unter Umständen eine aufwendige Signalentzerrung.
In diesem Falle können die Datenströme über mehrere niederratige Hochfrequenzträger übertragen werden, so dass die Symboldauer pro Träger deutlich größer als die Dispersion des Funkkanals sein kann. Dies wirkt zwar einer starken Symbolinterferenz entgegen. Bei einer solchen Multi-Hochfrequenz-Träger-Lösung steigt der Schaltungsaufwand für die rotorseitigen Kommunikationseinheiten jedoch proportional mit der Anzahl der verwendeten unterschiedlichen Hochfrequenzträger an.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur drahtlosen Übertragung zwischen einer Mehrzahl von in oder an einem rotierbaren Bauteil angeordneten Kommunikationseinheiten zu schaffen, das möglichst kostengünstig und technisch einfach implementierbar ist und hohe Datenraten für eine Vielzahl von Kommunikationseinheiten und daran angeschlossene Sensoren und/oder Aktoren ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren der eingangs genannten Art gelöst durch Übertragung der Daten im Ultrabreitband-Funkübertragungsverfahren auf einem Frequenzspektrum von mehr als 500 MHz oder einer Frequenzbandbreite von mehr als dem 0,2- fachen der mittleren Übertragungsfrequenz. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Ultra- Wide-Band-Technologie (UWB) für die Rotortelemetrie genutzt. Dabei werden die Daten breitbandig ohne Modulation auf eine spezifische Trägerfrequenz übertragen.
Es hat sich herausgestellt, dass die UWB-Datenübertragungstechnologie trotz der frequenzabhängigen Dopplerverschiebung aufgrund der Rotation des Bauteils nicht nachteilig auf die Datenübertragung auswirkt. Der frequenzabhängige Dopplereffekt führt zu einer korrigierbaren Dopplerverschiebung und einer Dopplerverbreiterung, die sich bei einer geeigneten Systemkonfiguration nicht störend auswirkt.
Die Ultrabreitbandtechnologie eignet sich für die Rotortelemetrie insbesondere deshalb, weil sie nur geringe Leistungen und kurze Übertragungswege unterstützt. Die beispielsweise bei einer Impulsdatenübertragung erforderlichen kurzen Impulse erfordern nur geringe Sendeleistungen, die problemlos induktiv in das rotierende Bauelement und die darin angeordneten Kommunikationseinheiten eingebracht werden können.
Zudem hat die UWB-Datenübertragungstechnologie gegenüber den herkömmlichen schmalbandigen Telemetriesystemen den Vorteil, dass die Übertragung durch schmal- bandige Inband-Störer weniger stark beeinflusst wird, da nur ein kleiner Frequenzbereich des UWB-Nutzsignals gestört wird. Eine solche Störung kann beispielsweise durch Mobilfunkgeräte oder WLAN-Systeme erfolgen.
Weiterhin hat die Ultrabreitband-Technologie den Vorteil, dass eine große Anzahl gleichartiger Kommunikationseinheiten in einem rotierbaren Bauteil eingesetzt werden kann, die allesamt den gleichen Senderaufbau haben. Die Daten einer Vielzahl von Sensoren lassen sich dann mit Hilfe mindestens einer Kommunikationseinheit auf eine einzige Basiskommunikationseinheit nahezu gleichzeitig z.B. mit Hilfe eines Zeitschlitzverfahrens oder einer Sensor-abhängigen Codierung, z.B. mit einem Spreizverfahren, oder einer Kombination davon übertragen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zu übertragenden Daten in den Kommunikationeinheiten puls-positions-moduliert werden, indem ein Impuls, vorzugsweise ohne Mo- dulation auf eine Trägerfrequenz, in einem zeitlichen Versatz zu einem jeweiligen Impuls-Referenzzeitpunkt, der in Abhängigkeit von der zu übertragenden Information gewählt wird, ausgesendet wird. Es wird somit vorgeschlagen, das so genannte Impuls- Radio-Verfahren zu nutzen, bei dem die UWB-Datenübertragung mittels aufeinanderfolgender zeitlich sehr kurzer Impulse in einer Größenordnung von etwa einer oder mehrerer Nanosekunden realisiert wird. Derartige Impulse können sehr schaltungs- und energieeffizient z.B. durch eine analoge Diodenschaltung generiert werden. Die Sendeeinheit der in ein rotierbares Bauteil integrierten Kommunikationseinheiten kann somit miniaturisiert werden, was für die industrielle Anwendung der Rotortelemetrie von großer Bedeutung ist.
Denkbar ist aber auch eine Direkte Sequenz Puls- Amplituden-Modulation (DS-PAM), bei der die zu sendenden Informationen mit einem Spreizcode multipliziert und puls- amplitudenmoduliert ausgesendet werden.
Die UWB-Datenübertragung kann aber auch mittels einer mehrbändigen orthogonalen Frequenzteilungs-Multiplexübertragung (Multiband-OFDM = Multiband-Orthogonal- Frequency-Division-Multiplexing) erfolgen, indem die zu übertragenden Daten parallel durch Modulation in den Phasen einer Mehrzahl sinusförmiger Subträger codiert und übertragen werden.
Dabei ist vorteilhaft, die Daten einer Mehrzahl von Sensoren auf die Mehrzahl von Subträgern sequentiell zu verteilen. Diese Verteilung kann nach einem fest vorgegebenen oder zufälligen Schema erfolgen.
Die UWB-Datenübertragung kann aber auch durch eine direkte Sequenz-Code- Teilungs-Mehrfachzugriffsübertragung (Direct-Sequence-Code-Division-Multiple- Access, DS-CDMA) erfolgen, indem die zu übertragenden Daten bzw. die zu sendenden Informationen mit einem fest vorgegebenen oder pseudo-zufälligen Spreizcode multipliziert werden. Die zu sendenden Informationen sind in der Regel binäre Datensignale der Mehrzahl von Sensoren, die mit geeigneten Spreizcodes multipliziert werden. Das Ergebnis kann beispielsweise mittels einer Puls-Amplituden-Modulation auf die UWB-Pulse moduliert und diese modulierten Pulse ausgesendet werden. Die maxi- male Anzahl der verschiedenen Sensoren wird über die Anzahl der verfügbaren Spreizcodes bestimmt. Die Übertragungsqualität hängt dabei von der erforderlichen Datenrate und dem zu erwartenden Signal-zu-Rausch-Leistungsverhältnis (SNR) auf der Empfangsseite ab.
Vorteilhaft ist es, wenn die elektrische Energie zur Versorgung der Kommunikationseinheiten induktiv eingekoppelt wird. Dabei kann der Aufwand für die Kommunikationseinheiten und der gegebenenfalls daran angeschlossenen oder darin integrierten Sensoren und/oder Aktoren verringert werden, da eine separate in das rotierbar Bauteil zu integrierende Energieversorgung entfällt.
Bei dem rotierenden Bauteil kann es insbesondere bei sehr hohen Umdrehungen aufgrund der Rotationsgeschwindigkeiten zu Dopplerverschiebungen der einzelnen Nutzfrequenzen kommen. Diese sind frequenzabhängig, so dass es für die Ultrabreitband- Funkübertragung von Vorteil ist, diese frequenzabhängigen Dopplerverschiebungen für Frequenzen des Frequenzspektrums in Abhängigkeit von der Umdrehungsgeschwindigkeit des rotierenden Bauteils zu bestimmen und durch geeignete Algorithmen, Tabellen oder Korrelatoren mit nachfolgenden Filtern die Dopplerverschiebungen in dem empfangenen Signal zu kompensieren. Das Bestimmen der frequenzabhängigen Dopplerverschiebung kann beispielsweise durch Schätzen insbesondere unter Verwendung mehrerer Korrelatoren erfolgen. Dabei kann jeder Korrelator z.B. eine Cross- Ambiguity-Funktion für eine angenommene Dopplerverschiebung berechnen, d.h. mit Hilfe einer Kreuzkorrelation. Das Maximum dieser Korrelatoren liefert eine grobe Schätzung für die Dopplerverschiebung.
Die Kompensierung der Dopplerverschiebungen kann beispielsweise mittels frequenzabhängig parametrisierter Interpolationsfilter und/oder mittels Phasenregelschleifen erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn jedem Sensor eine individuelle Codesequenz zur Festlegung von Sendezeitschlitzen zugewiesen wird und ein Vergleichssignal zur Korrelation mit dem empfangenen Datenübertragungssignal durch Verzögerung der individuellen Codesequenzen in Abhängigkeit vom bekannten Datenübertragungspfad der bekannten Datenübertragungspfadverzögerungen erfolgt. Durch die Trennung der mehreren Sensoren durch ihre Codesequenz, die dem Sender und Empfänger bekannt sind, können die Signale der einzelnen Sensoren im Empfänger der gemeinsamen Basiskommunikationseinheit voneinander unterschieden werden. Hierzu muss jedoch der Übertragungskanal geschätzt werden, damit die Pfaddämpfungen und Pfadverzögerungen bekannt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein verbessertes rotierbares Bauteil mit mindestens einer Kommunikationseinheit, an die jeweils mindestens ein Sensor oder Aktor angeschlossen ist, zur drahtlosen Übertragung von Daten zwischen der mindestens einen Kommunikationseinheit und mindestens einer in Funkempfangsreichweite außerhalb des rotierenden Bauteils angeordneten Basiskommunikationseinheit zu schaffen, das eine schnelle Übertragung hoher Datenmengen einer Vielzahl von Kommunikationseinheiten an die mindestens eine Basiskommunikationseinheit erlaubt.
Die Aufgabe wird mit dem rotierbaren Bauteil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Kommunikationseinheiten zur Übertragung der Daten im Ultrabreitband- Funkübertragungsverfahren auf ein Frequenzspektrum von mehr als 500 MHz oder einer Frequenzbandbreite von mehr als dem 0,2-fachen der mittleren Übertragungsfrequenz nach dem oben beschriebenen Verfahren ausgebildet sind.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - Skizze eines rotierbaren Bauteils mit Kommunikationseinheiten und eine statischen Basiskommunikationseinheit;
Figur 2 - Blockdiagramm einer Empfängerstruktur einer Basiskommunikationseinheit;
Figur 3 - Blockdiagramm eines Sensordetektors einer Basiskommunikationseinheit für das Zeitsprung-Puls-Positions-Modulationsverfahren (TH-PPM);
Figur 4 - Blockdiagramm eines Sensordetektors einer Basiskommunikationseinheit für das Direct-Sequence-Puls-Amplituden-Modulationsverfahren (DS- PAM).
Figur 1 lässt eine Skizze eines rotierbaren Bauteils 1 mit einer daran angeordneten Kommunikationseinheit 2 erkennen, die mit in oder an dem rotierbaren Bauteil 1 angebrachten Sensoren S und/oder Aktoren verbunden sind oder diese beinhalten. Die mindestens eine Kommunikationseinheit 2 hat jeweils eine eigene Antenne 3. Für den Fall, dass mehrere Kommunikationseinheiten 2 vorhanden sind, können sich diese u. U. auch eine gemeinsame Antenne teilen (nicht dargestellt). Die mindestens eine Kommunikationseinheit 2 dient dazu, Daten unidirektional oder bidirektional mit mindestens einer Basiskommunikationseinheit 4 auszutauschen. Solche Daten können insbesondere Messdaten von Sensoren S sein, die mit einer Kommunikationseinheit 2 verbunden sind. Denkbar ist aber auch, dass Steuerdaten zur Ansteuerung von Aktoren von der Basiskommunikationseinheit 4 an die mit dem anzusteuernden Aktor verbundene Kommunikationseinheit 2 gesendet werden, Die Basiskommunikationseinheit 4 ist mindestens mit ihrer Antenne 5 in Funkempfangsreichweite angeordnet.
Um mit einer hohen Datenrate eine große Datenmenge einer Vielzahl von Sensoren S übertragen zu können, sind die Kommunikationseinheiten 2 sowie die Basiskommunikationseinheit 4 eingerichtet, um eine Datenübertragung im Ultrabreitband- Funkübertragungsverfahren (UWB) durchzuführen. Bei dem Ultrabreitband- Funkübertragungsverfahren wird ein Frequenzspektrum für die Datenübertragung von mehr als 500 MHz oder eine Frequenzbandbreite von mehr als dem 0,2-fachen der mittleren Übertragungsfrequenz genutzt. Die relative Bandbreite, d. h. das Verhältnis aus absoluter Bandbreite zur mittleren Frequenz ist somit auf einen Wert von mindestens 0,2 festgelegt. Die absolute Bandbreite beträgt mindestens 500 MHz.
Für die drahtlose Datenübertragung im Einsatzfall der funkgestützten Rotortelemetrie wird somit ein energiesparendes UWB-basiertes Übertragungssystem genutzt, bei dem kein eigenes Frequenzband belegt wird. Vielmehr können die Ultrabreitband- Funkübertragungsverfahren bereits vergebene Frequenzbänder nutzen und ein so genanntes„Overlay"-System bilden. Dies ist ohne gravierende Interferenz möglich, da in typischen Anwendungsszenarien das Leistungsdichtespektrum von empfangenen UWB- Signalen niedriger als das Hintergrundrauschen ist. Der Wert der maximalen spektralen Sendeleistungsdichte liegt in der Regel unterhalb der maximal zulässigen Störstrahlung von Elektrogeräten. Da die Datenübertragung nicht von einer oder mehreren Trägerfrequenzen abhängig ist, auf die die übertragenden Daten aufmoduliert werden, ist nur eine einzige UWB-Antenne für alle Kommunikationseinheiten erforderlich.
Figur 2 lässt ein Blockdiagramm eines Ausschnitts einer Basiskommunikationseinheit 4 erkennen. Die zum Empfang der Funksignale erforderlichen Bauteile, wie Antenne und Vorverstärker sind nicht dargestellt.
Das Empfangssignal r(t) wird in einer Dopplerkompensationseinheit 6 einer Dopplerkompensation unterzogen. Hierbei werden die durch die Rotationsgeschwindigkeiten hervorgerufenen Dopplerverschiebungen der einzelnen Nutzfrequenzen des Empfangssignals r(t) eliminiert. Die frequenzabhängige Dopplerverschiebung führt zu einer Abweichung, die sich wie ein Abtasttaktfehler beim Empfangssignal r(t) verhält. Zur Kompensation der Dopplerverschiebung wird diese zunächst in der Dopplerkompensationseinheit 6 geschätzt. Dies kann mit Hilfe eines Verfahrens basierend auf mehreren Korrelatoren geschehen. Jeder Korrelator kann z. B. eine Cross-Ambiguity-Funktion für eine angenommene Dopplerverschiebung berechnen. Das Maximum dieser Korrela- toren liefert eine grobe Schätzung für die Dopplerverschiebung. Die grobe Dopplerverschiebung kann mit Hilfe von z.B. Interpolationsfiltern kompensiert werden. Ebenso kann ein Phasenregelkreis PLL (Phase-Locked-Loop) für die Kompensation des Rest- Dopplerfehlers eingesetzt werden.
Da der gleiche Übertragungskanal genutzt wird und keine Übertragungsfrequenz für jede Kommunikationseinheit 2 bzw. jedem an eine Kommunikationseinheit 2 angeschlossenen Sensor S festgelegt ist, werden am Empfänger, d.h. der Basiskommunikationseinheit 4, die Signale aller Sensoren S überlagert, um ein überlagertes Empfangssignal r(t) zu bilden. Dies kann durch die nachfolgende Funktion wie folgt ausgedrückt werden:
r(t) =∑rk(t) . (1) k=l
Der Index K ist die Anzahl der Kommunikationseinheiten 2 bzw. die Anzahl der an eine Kommunikationseinheit 2 angeschlossenen Sensoren S.
Die Basiskommunikationseinheit 4 hat eine Anzahl K von Sensordetektoren 7a, 7b, ... 7K, die aus dem gemeinsamen hinsichtlich des Dopplereffektes korrigierten Empfangssignal F(t) die einzelnen Empfangssymbole a k des k-ten Sensors S bzw. der k-ten Kommunikationseinheit 2 ermittelt. Die Detektion der Empfangssymbole a k ist abhängig von den durch die einzelnen Kommunikationseinheiten 2 konkret genutzten Modulationsmethoden des Ultrabreitband-Funkübertragungsverfahrens UWB. Hier bietet die UWB-Technologie verschiedene Möglichkeiten, von denen zwei im Folgenden beispielhaft erläutert werden.
Figur 3 lässt eine Ausführungsform eines Sensor-Detektors 7 einer Basiskommunikationseinheit für das Zeitsprung-Puls-Positions-Modulationsverfahren TH-PPM (Time Hopping (TH) Pulse-Position-Modulation (PPM)) erkennen. Dieses Verfahren basiert auf der Impuls-Radio-Technologie, bei der aufeinanderfolgende zeitlich sehr kurze Impulse in der Größenordnung einer Nanosekunde eingesetzt werden. Diese Impulse können im Sender der Kommunikationseinheiten 2 sehr schaltungs- und energieeffizient z.B. durch eine analoge Diodenschaltung generiert werden. Da die Impulse zeitlich sehr kurz sind, können die digitalen Informationen der einzelnen Sensoren S durch die Position der Pulse bestimmt werden.
Bei dem TH-PPM-Verfahren ist das übertragende Signal der k-ten Kommunikationseinheit 2 definiert durch:
**(') =∑ωs(t-jTs -ck JTc -εak J) , (2)
7=-∞ wobei cos(t) ist der gesendete Impuls mit der Dauer Tω ist und Ns die Anzahl der übertragenden Impulse pro Rahmen ist. Ts ist die Rahmendauer, Tc die Chipdauer. Damit ergibt sich
TS = NC *TC , (3) wobei Nc die Anzahl der Chips pro Rahmen ist. ak beschreibt die Bit-Sequenz ak€ {- 1,1} und ε die Modulationskonstante.
Nach der Übertragung über die Luftschnittstelle zwischen Rotor und Stator wird das Empfangssignal des k-ten Sensors S über die Mehrwege-Übertragung folgendermaßen überlagert:
rk(t) =∑ Ac1,∑M t - j Ts - c{ Tc - ε a[ - τk l) + n(t) , (4)
/=1 j=-∞ wobei cor(t) der Empfangsimpuls ist, dessen Form sich durch die Sende- und Empfangsantenne geändert hat. AkJ und τk l sind jeweils die Pfaddämpfungen und Pfadverzögerungen des Kanals, L ist die Anzahl der Pfade und n{t) ist das additive weiße Rauschen. Am Empfanger werden die Signale aller Sensoren S überlagert:
K
r(t) =∑rk(t) . (5)
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die einzelnen Kommunikationseinheiten 2 bzw. Sensoren S durch ihren Code ck voneinander getrennt. Die Codes ck sind dem
Sender und dem Empfänger bekannt und dienen dem Empfänger zur Unterscheidung der einzelnen Sensoren S und ggf. der einzelnen Kommunikationseinheiten 2. Im Prinzip wird mit den Codes ck festgelegt, zu welchen Zeitpunkten die einzelnen Sensoren S Nachrichten übertragen. Zur Unterscheidung der einzelnen Sensoren S muss der Kanal geschätzt werden, damit die Pfaddämpfungen Ak , und die Pfadverzögerungen τkJ bekannt werden. Hierzu wird das Empfangssignal F(t) mit dem angepassten Template- Signal v(t) korreliert. Dies geschieht für jeden Pfad / des Kanals für alle Rahmen nach der Vorschrift:
a*j = Σ j AkJr(t)v(t -τk l -jTs -ck JTc)dt . (6)
J=0 rkJ+JTs
Anschließend werden die Koeffizienten ak , der stärksten L Pfade addiert. Nach einem Entscheider wird das Empfangssymbol ak des k-ten Sensors S ermittelt.
Die Dopplerkompensationseinheit 6 schätzt und kompensiert die Dopplerverschiebung. Der Sensorselektor selektiert anschließend die Informationen einer bestimmten Kommunikationseinheit 2 bzw. eines bestimmten, mit einer gemeinsamen Kommunikationseinheit 2 vebundenen Sensors S oder ordnet die Informationen den einzelnen Sensoren S zu. Hierzu wird ein Sequenzgenerator genutzt, der den Code c[ des k-ten Sensors
S im j-ten Rahmen generiert. Der Rahmentakt wird beispielsweise als gewichtete und verzögerte Impulsfolge generiert. Ein PPM-Demolator bzw. eine Sequenzverzögerung dient zur Verzögerung der Impulsfolge um ckTc. Ein Template-Generator filtert die Eingangsimpulsfolge mit dem Template-Signal v(t) . Der Korrelator multipliziert das Empfangssignal r(t) mit dem überlagerten verzögerten Template-Signal und integriert über einer Rahmendauer. Mit einer Summation werden alle Koeffizienten ak , über L
Kanalpfade addiert. Ein Entscheider entscheidet anhand einer Schwelle, welches Symbol gesendet wurde.
Figur 4 lässt ein Blockdiagramm eines Sensordetektors einer Basiskommunikationseinheit für das Direct-Sequence-Puls- Amplituden-Modulations-Verfahren (DS-PAM) erkennen. Das übertragende Signal des k-ten Sensors S ist definiert durch:
sk(t) =∑dk Jωs(t -jTs) , (7)
wobei dk = a[c[ das gespreizte Signal darstellt. In Analogie zu dem PPM-modulierten
Signal wird das Empfangssignal bei dem DS-PAM-Verfahren durch Mehrwegeausbreitung und Rauschen gestört, wie anhand der oben genannten Gleichung (2) beschrieben ist. Am Empfänger werden alle Signale der Sensoren S gemäß der oben beschriebenen Gleichung (3) überlagert.
Die Sensor-Detektion erfolgt ähnlich wie bei dem oben beschriebenen TH-PPM- Verfahren. Der wesentliche Unterschied liegt in der Demodulation. Die Grundstruktur des Empfängers ist die gleiche, wie in Figur 2 dargestellt ist.
Das Template-Signal v(t) unterscheidet sich durch einen anderen Einfluss des Codes c[ des k-ten Sensors S aufgrund des Spreizcodes. Von dem oben beschriebenen
Template-Signal der TH-PPM.
Die Koeffizienten akJ bei dem DS-PAM-Verfahren sind für den k-ten Sensor S folgendermaßen definiert:
a*j = Σ J ck JAk lr(t)v(t -τkJ -jTs)dt . (8) Anschließend werden die Koeffizienten akJ der stärksten L Pfade addiert. Nach einem Entscheider wird das Empfangssymbol ak des k-ten Sensors S ermittelt.
Die Aufgabe der Kommunikationseinheiten 2 ist im Vergleich zu skalierten Schmalbandsystemen sehr einfach. Das Verfahren zeichnet sich zudem durch eine erhebliche höhere Datenrate (etwa das 30-fache im Vergleich zu skalierten Schmalbandsystemen) sowie einen relativ geringen Energieverbrauch aus. Das beschriebene Verfahren weist auch eine sehr hohe Immunität gegenüber Inband-Störern aufgrund der Bandbreiten- diversität auf. Durch die geringe Sendeleistung kann auch sichergestellt werden, dass andere Funksysteme nicht gestört werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Daten zwischen mindestens einer in oder an einem rotierbaren Bauteil (1) angeordneten Kommunikationseinheit (2), an die jeweils mindestens ein Sensor (S) und/oder Aktor angeschlossen ist, und mindestens einer in Funkempfangsreichweite außerhalb des rotierbaren Bauteils angeordneten Basiskommunikationseinheit (4), gekennzeichnet durch Übertragung der Daten im Ultrabreitband-Funkübertragungsverfahren (UWB) auf einem Frequenzspektrum von mehr als 500 MHz oder einer Frequenzbandbreite von mehr als dem 0,2-fachen der mittleren Übertragungsfrequenz.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch Puls-Positions-Modulation (TH-PPM) der zu übertragenden Daten derart, dass ein Impuls, vorzugsweise ohne Modulation auf eine Trägerfrequenz, in einem in Abhängigkeit von einer zu übertragenden Information gewählten zeitlichen Versatz zu einem jeweiligen Impuls-Referenzzeitpunkt ausgesendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Direkte Sequenz Puls- Amplituden-Modulation (Direct-Sequence PAM) der zu übertragenden Daten derart, dass die zu sendenden Informationen mit einem Spreizcode multipliziert und pulsamplitudenmoduliert ausgesendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch Mehrband-Orthogonale- Frequenzteilungs-Multiplexing-Übertragung auf mehreren Frequenzbändern (Multiband-OFDM) der Daten derart, dass Daten parallel durch Modulationen in den Phasen einer Mehrzahl sinusförmiger Subträger kodiert und übertragen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch sequentielle Verteilung der Daten der einer Kommunikationseinheit (2) zugeordneten Sensoren (S) auf die Mehrzahl von Subträgern.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch Direkte Sequenz-Code- Teilungs-Mehrfachzugriffs-Übertragung (Direct-Sequence-CDMA) der zu übertragenden Daten derart, dass die zu sendenden Informationen mit einem Spreizcode multipliziert werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch induktives Einkoppeln von elektrischer Energie zur Versorgung der Kommunikationseinheiten (2).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bestimmen der frequenzabhängigen Dopplerverschiebungen für Frequenzen des Frequenzspektrums in Abhängigkeit von der Umdrehungsgeschwindigkeit des rotierenden Bauteils (1) und Kompensieren der bestimmten Dopplerverschiebungen in dem empfangenen Signal zur drahtlosen Datenübertragung.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der frequenzabhängigen Dopplerverschiebungen durch Schätzen, insbesondere mittels Korrelatoren erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch Kompensieren der Dopplerverschiebungen mittels frequenzabhängig parametrisierter Interpolationsfilter und/oder mittels Phasenregelschleifen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem einer gemeinsamen Kommunikationseinheit (2) zugeordneten Sensor (S) eine individuelle Codesequenz (CK) zugewiesen wird und dass ein Vergleichssignal zur Korrelation mit dem empfangenen Datenübertragungssignal durch Verzögerung der individuellen Codesequenzen in Abhängigkeit von bekannten Datenübertragungspfaddämpfungen und Datenübertragungspfadverzögerungen erfolgt.
12. Rotierbares Bauteil (1) mit mindestens einer Kommunikationseinheit (2), an die jeweils mindestens ein Sensor (S) und/oder Aktor angeschlossen ist, zur drahtlo- sen Übertragung von Daten zwischen der mindestens einen Kommunikationseinheit (2) und mindestens einer in Funkempfangsreichweite außerhalb des rotierenden Bauteils (1) angeordneten Basiskommunikationseinheit (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheiten (2) zur Übertragung der Daten im Ultrabreitband-Funkübertragungsverfahren (UWB) auf ein Frequenzspektrum von mehr als 500 MHz oder einer Frequenzbandbreite von mehr als dem 0,2- fachen der mittleren Übertragungsfrequenz nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.
13. Rotierbares Bauteil (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheiten (2) jeweils mit im rotierbaren Bauteil (1) eingebauten Sensoren verbunden sind, wobei zu übertragende Daten von den Sensoren ermittelte Messdaten repräsentieren.
14. Rotierbares Bauteil (1) nach Anspruch 12 oder 13; dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheiten (2) jeweils mit im rotierbaren Bauteil (1) eingebauten Aktoren verbunden sind, wobei zu übertragende Daten Steuerbefehle für die Aktoren repräsentieren.
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