[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Übertragungssystem insbesondere für verkehrstechnische
Systeme nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Zur Übertragung von Daten von einer erdgebundenen Station z.B. zu einem schienengebundenen
Fahrzeug werden Balisen (siehe Fig. 5) oder Leckkabel eingesetzt, wie sie in [1] beschrieben
sind. Das Blockschaltbild einer Gleisausrüstung ist in [1], Bild 3 gezeigt. Dabei
sind eine Balise und eine an ein Leckkabel angeschlossene Loop-Elektronik über Verbindungsleitungen
mit einer Logikschaltung verbunden, die Signale mit einem Stellwerk und/oder einem
Signaladapter austauscht.
[0003] Verfahren und Vorrichtungen zur Übertragung von Daten von einer erdgebundenen Balise
zu einem fahrzeugseitigen Transponder sind in [2] und [3] beschrieben. Zur Datenübertragung
wird normalerweise ein hochfrequentes Trägersignal verwendet, das entsprechend den
zu übertragenden Daten moduliert wird. Die Erzeugung und Modulation eines Trägersignals
kann in der Balise oder auch in der Logikschaltung erfolgen. Normalerweise sind übertragene
Informationen oder Statusinformationen zurück an das Stellwerk zu melden.
[0004] Aus [1], Bild 3 ist erkennbar, dass innerhalb eines verkehrstechnischen Kommunikationssystems
verschiedenste mehrheitlich sicherheitsrelevante Informationen übertragen werden.
Bestehende Übertragungssysteme mit Trägermodulation weisen eine relativ hohe Komplexität
auf, weshalb eine geringe, jedoch oft unerwünschte Störanfälligkeit resultiert.
[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Übertragungssystem
insbesondere für verkehrstechnische Kommunikationssysteme zu schaffen, das eine hohe
Zuverlässigkeit aufweist und mit geringerem Aufwand realisiert werden kann.
[0006] Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen
Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen
angegeben.
[0007] Das erfindungsgemässe Übertragungssystem weist eine hohe Zuverlässigkeit auf und
kann kostengünstig realisiert werden. Durch Änderungen der Impedanz einer am Ende
einer Übertragungsleitung anliegenden Last werden Daten in einer Richtung über die
Übertragungsleitung übertragen und empfangsseitig detektiert. Über die Ubertragungsleitung
können ferner in beiden Richtungen modulierte Trägersignale übertragen werden. Vorzugsweise
wird wenigstens eines dieser Signale zur Detektion von mittels Impedanzänderungen
übertragenen Daten verwendet, Besonders vorteilhaft ist, dass das zur Detektion von
Impedanzänderungen vorgesehene Modul trägerfrequente Signale, die über die Übertragungsleitung
übertragen werden, kaum belastet. Ferner sind Übertragungsleitungen mit verschiedenen
Längen und Impedanzen einsetzbar.
[0008] Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
Dabei zeigt:
- Fig. 1
- ein erfindungsgemässes Übertragungssystem,
- Fig. 2
- den empfangsseitigen Teil des Übertragungssystems gemäss Fig. 1 mit einer ergänzenden
Schaltungsanordnung zur Detektion der übertragenen Signale,
- Fig. 3
- das Übertragungssystem gemäss Fig. 1 mit einem Sendeverstärker DV,
- Fig. 4
- eine alternative Ausgestaltung der zur Signaldetektion vorgesehenen Schaltungsanordnung,
- Fig. 5
- den Einsatz des Übertragungssystems in der Eisenbahntechnik und
- Fig. 6
- Veiläufe von Spannungen im empfangsseitigen Teil des Übertragungssystems.
[0009] Fig. 1 zeigt ein System, durch das Daten von einem in einer Balise B vorgesehenen
Logikmodul LOG über eine Übertragungsleitung LTG zu einem Empfänger bzw. zu einem
Detektionsmodul DET übertragbar sind, durch das Laständerungen detektierbar sind,
die vom Logikmodul LOG in Abhängigkeit der zu übertragenden Daten verursacht werden.
Dabei wird von einer Spannungsquelle Q, vorzugsweise über einen Übertrager XFMR, ein
Wechselspannungssignal konstanter Amplitude an die Anschlüsse l1a, l1b der Übertragungsleitung
LTG angelegt, die durch eine mit Anschlüssen l2a, l2b verbundene steuerbare Last VL
abgeschlossen ist. Die Last VL, die durch das Logikmodul LOG steuerbar bzw. zwischen
zwei Zuständen umschaltbar ist, besteht in der gezeigten Anordnung aus einer fest
mit der Übertragungsleitung LTG verbundenen Impedanz Z1, zu der eine zweite Impedanz
Z2 durch einen mit dem Logikmodul LOG verbundenen Schalter SW parallel geschaltet
werden kann. Bei der Reduktion der Impedanz der steuerbaren Last VL entsteht aufgrund
des Spannungsabfalls über dem Innenwiderstand der Wechselspannungsquelle eine Reduktion
der an den Anschlüssen l1a, l1b der Übertragungsleitung LTG anliegenden Wechselspannung.
Die Detektion von Wechselspannungsänderungen erfolgt durch das Detektionsmodul DET,
dem die an den Anschlüssen l1a, l1b der Übertragungsleitung LTG bzw. die an der Sekundärwicklung
ws des Übertragers XFMR anliegende Wechselspannung zugeführt wird.
[0010] Das Detektionsmodul DET, dem das zu überwachende Wechselspannungssignal über zwei
Eingänge e1 und e2 zugeführt wird, weist einen ersten und einen zweiten Kondensator
C1, C2 auf, von denen der erste über zwei in Serie geschaltete Dioden D1 und D2 und
der zweite über eine weitere Diode D3 beim Auftreten von positiven Halbwellen auf
den Spannungswert Ua bzw. Uk geladen wird. Bei positiven Halbwellen mit einer Amplitude
von 5,0 V und einer Schwellspannung der Dioden D1, D2 und D3 von etwa 0,65 V nimmt
Ua zumindest annähernd den Wert 5,0V - 2 * 0,65V = 3,7V und Uk zumindest annähernd
den Wert 5,0V - 1 * 0,65V = 4,35V an. An den Kondensator C1 sowie die Kathode der
Diode D2 ist die Anode und an den Kondensator C2 sowie die Kathode der Diode D3 ist
die Kathode einer Leuchtdiode D4 angeschlossen, die Teil eines Optokopplers (siehe
Fig. 2, OK) ist. Nach der Ladung der Kondensatoren C1 und C2 liegt an der Anode der
Leuchtdiode D4 daher eine Spannung von 3,7V und an der Kathode eine Spannung von 4,35V
an. Die Leuchtdiode D4 weist daher eine negative Vorspannung von -0,65V auf, die zusätzlich
zur Schwellspannung überwunden werden muss, bevor in der Leuchtdiode D4 ein Strom
zu fliessen beginnt und elektrische Energie in Lichtenergie umgewandelt wird.
[0011] Parallel zu den Kondensatoren C1 und C2 ist je ein Widerstand R1 bzw. R2 geschaltet,
durch den jeder Kondensator C1; C2 entladen wird, sobald die Amplitude der überwachten
Wechselspannung absinkt und die über den Dioden D1, D2 und D3 anliegende Spannung
deren Schwellwert unterschreitet. Der lediglich vorzugsweise vorgesehene Widerstand
R1, der parallel zum Kondensator C1 geschaltet ist, soll sicherstellen, dass eine
langsame Änderung der überwachten Wechselspannung nicht zu einer fehlerhaften Detektion
eines Signals führen kann. Durch langsame Entladung des Kondensators C1 soll der Wert
der Spannung Ua langsamen Änderungen der Wechselspannung folgen. Für schnelle Änderungen
der Wechselspannung, die jeweils bei einer Umschaltung der Last VL entstehen, soll
die Entladung über den Widerstand R1 jedoch vernachlässigbar klein sein. Die in diesem
Fall entstehende Entladung des zweiten Kondensators C2 über den Widerstand R2 soll
jedoch derart schnell vor sich gehen, dass eine Detektion der aufgetretenen Lastumschaltung
möglich ist. Für eine Zeitdauer t1, während der die Last durch Schliessen des Schalters
SW erhöht bzw. die Impedanz reduziert wird, soll die am ersten Kondensator C1 anliegende
Spannung Ua nur gering und die am zweiten Kondensator C2 anliegende Spannung Uk stark
abnehmen, so dass die an der Leuchtdiode D4 anliegende negative Vorspannung von -0,65V
aufgehoben und die Schwellspannung der Leuchtdiode D4 überschritten wird. Der zweite
Kondensator C2 wird daher schnell auf einen Wert von Uk = 3,0V entladen, wonach der
erste Kondensator C1 einen Durchlassgleichstrom von z.B. 20mA über die Leuchtdiode
D4 und den Widerstand R2 abgibt. Der erste Kondensator C1 wird während der Zeitdauer
t1 über den Widerstand R2 bzw. die durch die Leuchtdiode D4 parallel geschalteten
Widerstände R1 und R2 entladen. Da die Zeitkonstante C1 * R2 jedoch vorzugsweise deutlich
grösser als die Zeitdauer t1 gewählt wird, reduziert sich die Spannung Ua durch Entladung
des ersten Kondensators C1 nur geringfügig. Nach Ablauf der Zeitdauer t1 erhöht sich
der Wert der Wechselspannung wieder, wodurch der zweite Kondensator C2 schnell wieder
auf den ursprünglichen Wert (Uk = 4,35V) aufgeladen und die Leuchtdiode D4 gesperrt
wird.
[0012] In bezug auf die Zeitdauer t1 ist die Zeitkonstante

11=C1 * R1 daher sehr hoch, die Zeitkonstante

22=C2 * R2 klein und die Zeitkonstante

12=C1 * R2 hoch zu wählen.
[0013] In Fig. 6 sind die Verläufe der Spannungen Uk und Ua aufgezeichnet, die kurz vor,
während und nach einer Laständerung auftreten, durch die z.B. ein Datenbit übertragen
wird. Vor der Laständerung sind die Kondensatoren C1 und C2 auf die Maximalwerte Uk
max und Ua
max aufgeladen. Bei einer beispielsweise gewählten Wechselspannungsamplitude U1p=5V sind
Uk
max=4.35V und Ua
max=3.7V in der vorliegenden Schaltungsanordnung. Zum Zeitpunkt ta wird der Schalter
SW durch das Logikmodul LOG betätigt und die Impedanz Z2 parallel zur Impedanz Z1
geschaltet. Durch die Erhöhung der Last entsteht eine Reduktion der Amplitude U1p
der vom Übertrager XFMR abgegebenen Wechselspannung. Die an den Anoden der Dioden
D1, ..., D3 anliegenden Spannungen fallen unter den Wert der Spannungen Ua und Uk,
wodurch die Dioden D1, ..., D3 in den gesperrten Zustand überführt werden. Anschliessend
wird der zweite Kondensator C2 durch den Widerstand R2 soweit entladen, bis die negative
Vorspannung aufgehoben und die Schwellspannung der Leuchtdiode D4 überschritten ist
und diese zu leiten beginnt. Der erste Kondensator C1 der vom Widerstand R1 nur geringfügig
belastet wird, wird nun über die Leuchtdiode D4 und den Widerstand R2 entladen. Zu
einem Zeitpunkt tb wird der Schalter SW wieder geöffnet, wodurch die Last reduziert
und die Wechselspannung am Ausgang des Übertragers XFMR wieder erhöht wird. Die Dioden
D1, ..., D3 beginnen wieder zu leiten, wodurch der zweite Kondensator C2 schnell wieder
aufgeladen und die Leuchtdiode D4 gesperrt wird. Parallel dazu wird auch der erste
Kondensator C1 wieder aufgeladen. Der erste Kondensator C1 ist daher derart zu bemessen,
dass er während dem Intervall t1 bzw. tb-ta in der Lage ist, die Leuchtdiode D4 zu
betreiben. Die Vorspannung der Leuchtdiode D4 ist derart gewählt, dass diese bei Änderungen
der vom Übertrager XFMR abgegebenen Wechselspannung, die nicht durch geschaltete Laständerungen
verursacht werden, nicht in den leitenden Zustand gerät. Diese Vorspannung wird entsprechend
den zu erwartenden Wechselspannungsschwankungen gewählt. Z.B. durch Überbrückung der
Diode D2 oder durch die Wahl von Dioden D1, ..., D3 mit entsprechenden Schwellspannungen,
kann eine gewünschte Vorspannung eingestellt werden. Durch die Vermeidung von Widerstandsbrücken,
die ebenfalls zur Einstellung einer Vorspannung verwendet werden könnten, wird eine
unerwünschte Belastung der vom Übertrager XFMR abgegebenen Wechselspannung vermieden.
Es wurde bereits erwähnt, dass durch den Widerstand R1 die am Kondensator C1 anliegende
Spannung Ua langsamen Reduktionen der Amplitude U1p nachgeführt wird. Durch die vorzugsweise
Verwendung des Widerstandes R1 kann die Vorspannung der Leuchtdiode D4 daher kleiner
gewählt werden.
[0014] Zur Vermeidung von Übertragungsfehlern beim Auftreten von transienten Störungen ist
ein dritter Kondensator C3 parallel zur Leuchtdiode D4 geschaltet. Spannungsspitzen,
die sich der an der Leuchtdiode D4 anliegenden Spannung überlagern, werden durch den
dritten Kondensator C3 daher geglättet. Entsprechende Störungen werden auch durch
die beiden im Übertragungsweg vorgesehen Spulen L unterdrückt.
[0015] Fig. 2 zeigt den empfangsseitigen Teil des Übertragungssystems gemäss Fig. 1 mit
einer ergänzenden Schaltungsanordnung zur Detektion der übertragenen Signale. Daraus
ist ersichtlich, dass die Leuchtdiode D4 Teil eines Optokopplers OK ist, der einen
Fototransistor T aufweist, dessen Ausgangssignale einem Operationsverstärker OVST
zugeführt werden. Der Operationsverstärker OVST, der vorzugsweise die Funktion eines
Schmitt-Triggers aufweist, gibt an seinem Ausgang ein Rechtecksignal D
B ab, das dem dem Schalter SW zugeführten Schaltsignal entspricht. Zur Spannungsversorgung
des Optokopplers OK und des Operationsverstärkers OVST, der von den Dioden D1, ...,
D3 und den Kondensatoren C1 und C2 galvanisch getrennt ist, sind eine Betriebsspannung
Ub sowie ein Widerstand R3 vorgesehen. Leuchtdioden sowie Optokoppler sind in [5]
beschrieben. Selbstverständlich sind verschiedene Optokoppler, z.B. auch solche mit
Fotodioden anstelle von Fototransistoren anwendbar. Die lediglich vorzugsweise vorgesehenen
Bauteile R1 und C3 sind in Fig. 2 nicht gezeigt.
[0016] Fig. 3 zeigt das erfindungsgemässe Übertragungssystem mit einem Übertrager XFMR2,
der eine Sekundär- sowie drei Primärwicklungen ws bzw. wp1, wp2 und wp3 aufweist.
Die Primärwicklungen wp1 und wp2 sind mit einem Verstärker DV verbunden, der an die
erste Primärwicklung wp1 ein Rechtecksignal s1 der Frequenz f1 und der an die zweite
Primärwicklung wp2 ein Rechtecksignal s2 der Frequenz f2 abgibt. Durch die Signale
s1 und s2 können Steuersignale und Daten zur Balise B übertragen werden. Das Signal
s2 kann z.B. auch zur Fernspeisung eines Transponders dienen.
[0017] Das Detektionsmodul DET ist in der vorliegenden Schaltungsanordnung vorzugsweise
deshalb auf der Sekundärseite des Übertragers XFMR2 vorgesehen, weil die Messung von
Rechtecksignalen kleinerer Amplitude auf der Primärseite des Übertragers mit Schwierigkeiten
verbunden wäre. Aus Fig. 3 ist femer ersichtlich, dass dem Logikmodul LOG der Balise
B verschiedene Signale (HF-Signale oder Statussignale sens von Signalanlagen) zuführbar
sind. Entsprechend diesen Signalen kann das Logikmodul LOG binäre Schaltsignale D
B an den Schalter SW abgenben, der z.B. durch einen Schaltransistor realisiert wird.
Ferner kann das Logikmodul LOG Daten auch durch Modulation eines Trägersignals zu
einem Empfänger RX übertragen, der an die dritte Primärwicklung wp3 des Übertragers
XFMR2 angeschlossen ist.
[0018] Die bidirektionale Übertragung von Daten von der Balise zu einem fahrzeugseitig vorgesehenen
Transponder mittels

up- und down link"-Kanälen ist in [6], Bild 1 gezeigt. Die von einer Balise empfangenen
Daten eines

down link"-Kanals können von der Balise anhand des erfindungsgemässen Übertragungssystems
zu einem Stellwerk übertragen werden.
[0019] Fig. 4 zeigt ein Detektionsmodul DET in einer vorzugsweisen Ausgestaltung. Die Diode
D3 wurde weggelassen. Statt dessen wird der zweite Kondensator C2 über die Diode D1
geladen. Die Werte der Spannungen Uk und Ua, die sich nach dem Laden der beiden Kondensatoren
C1 und C2 einstellen, bleiben unverändert. Wie erwähnt, kann die Vorspannung der Leuchtdiode
D4 durch die Wahl der Dioden D1, D2, ... nach Wunsch eingestellt werden.
[0020] Fig. 5 zeigt den Einsatz des erfindungsgemässen Ubertragungssystems in der Eisenbahntechnik.
Zwei Balisen B1 und B2 sind auf den Schwellen von Eisenbahngeleisen TR1, TR2 angeordnet,
und durch Übertragungsleitungen LTG mit einem Stellwerk ESTW verbunden. Die Übertragungsleitungen
LTG können Längen von bis zu mehreren hundert Meter aufweisen. Auf den Geleisen TR1
befindet sich ein Fahrzeug ZK, auf dessen Unterseite ein Transponder TP angeordnet
ist, der während der Überfahrt mit der Balise B1 Funksignale austauscht.
[1] SIGNAL + DRAHT, Tetzlaff Verlag, Hamburg, Ausgabe 10/97, Seiten 22 - 24
[2] WO 94/11754
[3] EP 0 747 995 A2
[4] EP 0 787 639 A1
[5] K. Beuth, Bauelemente, Vogel Buchverlag, Würzburg 1991, 13. Auflage, Seiten 292-296
[6] SIGNAL + DRAHT, Tetzlaff Verlag, Hamburg, Ausgabe 5/98, Seiten 5 - 9
1. Übertragungssystem insbesondere für verkehrstechnische Systeme mit einer Übertragungsleitung
(LTG), die an einem Ende über erste Anschlüsse (l1a, l1b) mit einer Wechselspannungsquelle
(Q) und am anderen Ende über zweite Anschlüsse (l2a, l2b) mit einer Last (VL) verbunden
ist, wobei die von der Wechselspannungsquelle (Q) abgegebenen und von der Übertragungsleitung
(LTG) übertragenen Wechselspannungen Stromversorgungszwecken oder der Übertragung
von Daten dienen, dadurch gekennzeichnet, dass die Last (VL) durch ein Logikmodul (LOG) in Abhängigkeit von zu übertragenden
Daten DB zwischen zwei Lastzuständen derart umschaltbar ist, dass an den ersten Anschlüssen
(l1a, l1b) der Übertragungsleitung (LTG) Änderungen der Amplitude der von der Wechselspannungsquelle
(Q) abgegebenen Wechselspannung auftreten, die über Eingänge (e1, e2) einem Detektionsmodul
(DET) zugeführt wird, durch die die genannten Änderungen feststellbar und ein dazu
entsprechender Datenstrom DB erzeugbar ist.
2. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingänge (e1, e2) des Detektionsmoduls (DET) über einen ersten Kondensator
(C1) und wenigstens eine dazu in Serie geschaltete Diode (D1, D2) sowie über einen
zweiten Kondensator (C2) sowie einen dazu parallel geschalteten Widerstand (R2) und
wenigstens eine dazu in Serie geschaltete Diode (D1; D3) miteinander verbunden sind,
dass die beiden über eine Leuchtdiode (D4) miteinander verbundenen Kondensatoren (C1,
C2) beim Auftreten von Halbwellen entsprechender Polarität über die Dioden (D1; D2;
D3) geladen werden und dass die Dioden (D1; D2; D3) und der Widerstand (R2) derart
gewählt sind, dass an die Leuchtdiode (D4) bei maximaler Ladung der beiden Kondensatoren
(C1, C2) eine Sperrspannung und nach einer Reduktion der Wechselspannung durch Entladung
des zweiten Kondensators (C2) über den Widerstand (R2) eine Durchlassspannung angelegt
ist.
3. Übertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kondensatoren (C1, C2) auf Spannungen Uamax und Ukmax geladen werden, die entsprechend der für die Leuchtdiode (D4) vorgesehenen Vorspannung
Uamax - Ukmax gewählt sind.
4. Übertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung Uamax -Ukmax entsprechend der Höhe der zu erwartenden Wechselspannungsänderungen gewählt sind,
die nicht durch geschaltete Laständerungen verursacht werden.
5. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Last (VL) aus einer ersten Impedanz (Z1) besteht, zu der für die Übertragung
einer Dateneinheit DB zu einem Zeitpunkt ta über einen vom Logikmodul (LOG) gesteuerten Schalter (SW) eine
zweite Impedanz (Z2) zuschaltbar und zu einem Zeitpunkt tb wieder trennbar ist, wodurch
die am Eingang (e1, e2) des Detektionsmoduls (DET) anliegende Wechselspannung während
dem Intervatt t1=tb-ta auf einen reduzierten Wert abfällt.
6. Übertragungssystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten Kondensator (C1) ein Widerstand (R1) geschaltet ist, wobei
die Zeitkonstante

11=C1 * R1 um ein Vielfaches grösser ist als das Intervall t1.
7. Ubertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 - 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die für den zweiten Kondensator (C2) und den dazu parallel geschalteten Widerstand
(R2) vorgesehene Zeitkonstante

22=C2 * R2 kleiner.
8. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 - 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die für den ersten Kondensator (C1) und den durch die Leuchtdiode (D4) dazu
parallel schaltbaren Widerstand (R2) vorgesehene Zeitkonstante

12=C1 * R2 grösser als das Intervall t1 ist.
9. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sendeverstärker (DV) vorgesehen ist, der über wenigstens eine Primärwicklung
(wp1, wp2) eines Übertragers (XFMR, XFMR2) eine Wechselspannung an die Anschlüsse
(l1a, l1b) der Ubertragungsleitung (LTG) abgibt.
10. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass anhand wenigstens eines modulierten Trägersignals vom Sendeverstärker (DV)
Daten zum Logikmodul (LOG) und/oder vom Logikmodul (LOG) Daten zu einem Empfänger
(RX) übertragbar sind, der mit einer weiteren Primärwicklung (wp3) des Übertragers
(XFMR2) verbunden ist.
11. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Logikmodul (LOG) Teil einer standortgebundenen Balise (B) ist, über die
Daten mit einem fahrzeuggebundenen Transponder (TP) ausgetauscht werden.