DE10241583B4

DE10241583B4 - Empfangseinrichtung für digitale Signale

Info

Publication number: DE10241583B4
Application number: DE10241583A
Authority: DE
Inventors: Nils Krumme; Harry Schilling; Georg Dr. Lohr
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2022-09-06
Also published as: US20040102162A1; DE10241583A1; US7379503B2

Abstract

Vorrichtung zum Empfang digitaler Signale umfassend
– eine Empfangsantenne (1) zum Empfang von Signalen im Nahfeld einer Sendeleiterstruktur,
– eine Signalaufbereitungseinheit (2) zur Aufbereitung der von der Empfangsantenne gelieferten Signale,
– einen Digitalisierer (3) zur Umwandlung der von der Signalaufbereitungseinheit gelieferten Signale in digitale Signale,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (7) zur Ermittlung von wenigstens einem für die Signalqualität relevanten Parameter wie das Rauschen, die Bitfehlerrate oder die spektrale Zusammensetzung des Signals vorgesehen ist und diese Messeinrichtung (7) derart mit der Signalaufbereitungseinheit (2) verbunden ist, dass sie dieser die ermittelten für die Signalqualität relevanten Parameter übermittelt und die Signalaufbereitungseinheit (2) derart gestaltet ist, dass sie die Aufbereitung der Signale entsprechend den von der Messeinrichtung (7) signalisierten Parametern vornimmt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Empfang digitaler Signale zwischen mehreren gegeneinander beweglichen Einheiten.
Der Übersichtlichkeit halber wird in diesem Dokument nicht zwischen der Übertragung zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten und einer feststehenden und dazu beweglichen Einheiten unterschieden, da dies nur eine Frage des Ortsbezugs ist und keinen Einfluss auf die Funktionsweise der Erfindung hat. Ebenso wird nicht weiter zwischen der Übertragung von Signalen und Energie unterschieden, da die Wirkungsmechanismen hier die selben sind.

Bei linear beweglichen Einheiten wie Kran- und Förderanlagen und auch bei drehbaren Einheiten wie Radaranlagen oder auch Computertomographen ist es notwendig, zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten elektrische Signale bzw. Energie zu übertragen. Hierzu ist meist eine Leiterstruktur in der ersten Einheit und ein entsprechender Abgriff in der zweiten Einheit vorgesehen. In den folgenden Ausführungen bezieht sich der Begriff Leiterstrukturen auf alle denkbaren Formen von Leiterstrukturen, welche geeignet sind, elektrische Signale zu führen. Dies bezieht sich auch auf die bekannten kontaktierenden Schleifbahnen bzw. Schleifringe.

Eine entsprechende Vorrichtung ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 44 12 958 A1 beschrieben. Das zu übertragende Signal wird hier in eine Streifenleitung der ersten Einheit, welche längs des Weges der Bewegung der gegeneinander beweglichen Einheiten angeordnet ist, eingespeist. Mittels kapazitiver oder induktiver Kopplung wird das Signal von der zweiten Einheit abgegriffen. Der Koppelfaktor des Signals zwischen den beiden Einheiten hängt im wesentlichen von dem Abstand der beiden Einheiten zueinander ab. Gerade bei räumlich ausgedehnten Übertragungssystemen und insbesondere bei hohen Bewegungsgeschwindigkeiten lassen sich auf Grund mechanischer Toleranzen die Abstände zwischen den beweglichen Einheiten nicht beliebig exakt festlegen. Daher variiert der Koppelfaktor häufig mit der Position der beiden Einheiten zueinander, der Geschwindigkeit (z. B. durch Verursachung von Vibrationen) und anderen Einflussgrößen. Gleichzeitig ändert sich die Signalamplitude am Eingang des Empfängers. Dadurch ergeben sich bei herkömmlich aufgebauten Empfängern Veränderungen im Signal, welche sich beispielsweise als erhöhter Jitter oder sogar Bitfehler bemerkbar machen.

Aus der US 6,433,631 B2 ist eine Vorrichtung zur Regelung des Eingangspegels am Empfänger offenbart. Hierzu wird die Signalamplitude nach einem Vorverstärker gemessenen und entsprechend dieser Signalamplitude ein vor dem Vorverstärker vorgesehenes Dämpfungsglied gesteuert. Der Nachteil dieser Anordnung ist, dass hierdurch ausschließlich dem Empfänger ein Signal mit konstanter Amplitude zur Verfügung gestellt werden kann. Für die Übertragung bzw. Auswertung von Signalen ist die Signalamplitude ein Parameter, welcher innerhalb bestimmter Grenzen des Dynamikbereichs des Empfängers gehalten werden sollte, aber ansonsten keine weitere Bedeutung hat. Wesentlich zur Beurteilung einer Signalqualität sind andere Signalrelevante Parameter, die beispielsweise das Signal/Rauschverhältnis, die Bitfehlerrate, das Augenmuster, oder auch die spektrale Zusammensetzung des Signals. Diese Parameter werden in der Auswertung nicht berücksichtigt, so dass sich weitere Übertragungsfehler nicht ausschließen lassen.

Darstellung der Erfindung

Es stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zur elektrischen Signalübertragung zu gestalten, welche die oben aufgezeigten Nachteile vermeidet und insbesondere eine hohe Übertragungsqualität der Signale aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Mitteln gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen weiteren Ansprüche.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Übertragung digitaler Signale umfasst eine Empfangsantenne (1) zum Empfang von Signalen im Nahfeld einer Sendeleiterstruktur. Eine derartige Sendeleiterstruktur kann beispielsweise ein konventioneller Schleifring, oder auch eine reflexionsfrei abgeschlossene Leitung zur Übertragung hochfrequente Signale sein. Wesentlich ist, dass diese Sendeleiterstruktur zur Führung elektrische Signale geeignet ist und ein Empfang von Signalen im Nahfeld dieser Sendeleiterstruktur möglich ist. Entsprechend wird eine Empfangsantenne (1) in der Nähe der Sendeleiterstruktur zum Empfang der Signale im Nahfeld derselben angebracht. Ohne Einfluss auf die Ausgestaltung der Erfindung ist auch ein direkter galvanischer Kontakt zwischen der Empfangsantenne (1) und der Sendeleiterstruktur. Eine solche Ausführung des Kontakts ist im Gegenstand der Erfindung mit eingeschlossen, ohne dass dies jeweils im Folgenden ausdrücklich erwähnt wird. Ein galvanischer Kontakt kann nicht nur durch metallische Kontakte, sondern auch durch Kohlebürsten, die auf Schleifbahnen schleifen, erzeugt werden.

Weiterhin ist eine Signalaufbereitungseinheit (2) zur Aufbereitung der von der Empfangsantenne gelieferten Signale vorhanden. Die elektrischen Parameter dieser Signalaufbereitungseinheit sind mittels externer Signale einstellbar. Die von dieser Signalaufbereitungseinheit aufbereiteten Signale werden an einen Digitalisierer (3) zur Umwandlung des empfangenen Signals in digitale Signale (4) weitergeleitet. Das von der Empfangsantenne (1) empfangene Signal hat analoge Eigenschaften, da es schwankende Amplituden, verzerrte Kurvenformen und Störungen, sowie Rauschen überlagert haben kann. Ein Digitalisierer kann beispielsweise als Komparator oder auch als Verstärker mit Begrenzungseigenschaften (limiting amplifier) ausgebildet sein. Ein solcher Digitalisierer wird gelegentlich auch als Demodulator bezeichnet. Wesentlich für die Erfindung ist, dass dieser das analoge, in der Amplitude schwankende Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal mit vorgegebenen Pegelwerten umsetzt.

Weiterhin ist eine Messeinrichtung (7) zur Ermittlung wenigstens eines für die Signalqualität relevanten Parameters vorgesehen. Derartige Parameter sind beispielsweise die Signalamplitude, das Rauschen, die Bitfehlerrate oder die spektrale Zusammensetzung des Signals. Hängt das Signal beispielsweise auch von der relativen Position zwischen Sender und Empfänger der Datenstrecke ab, so ist auch diese ein signalrelevanter Parameter und daher optional mit in die Erfassung eingeschlossen. Zu Erfassung dieser zusätzliche Parameter sind optional weitere Sensoren wie beispielsweise Winkelsensoren, Positionssensoren, Temperatursensoren sowie Sensoren weiterer Umweltparameter, die das Signal beeinflussen, eingeschlossen.

Weiterhin ist erfindungsgemäß die Messeinrichtung (7) derart mit der Signalaufbereitungseinheit verbunden, dass dieser die gemessenen Parameter übermittelt werden. Weiterhin ist die Signalaufbereitungseinheit derart gestaltet, dass diese eine Aufbereitung der von der Empfangsantenne gelieferten Signale entsprechend den übermittelten Parameter vornimmt. Damit kann die Signalaufbereitungseinheit auf schwankende Signaleigenschaften, wie schwankende Rauschpegel, schwankende Bitfehlerraten oder andere Änderungen der Eigenschaften des Eingangssignals reagieren und die Korrektur entsprechend durchführen.

Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine wesentlich bessere Signalübertragungsqualität als mit dem Stand der Technik erreichbar.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Signalaufbereitungseinheit (2) im Frequenzverlauf steuerbare Filter auf. Damit können frequenzabhängige Verzerrungen der Übertragungsstrecke korrigiert werden. Ebenso können dadurch bestimmte schmalbandige Störungen herausgefiltert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Signalaufbereitungseinheit (2) eine steuerbare Übertragungsfunktion auf. Durch eine solche steuerbare Übertragungsfunktion ist beispielsweise eine Korrektur zu großer oder zu kleiner Signalamplituden sowie ein Abschneiden von hohen Störspitzen möglich.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist die Signalaufbereitungseinheit (2) Mittel zur Taktregeneration auf. Derartige Mittel enthalten beispielsweise eine PLL (Phase Locked Loop) zur Synchronisation auf den Takt eines Datenstroms. Mittels zusätzlicher Schalt- bzw. Verknüpfungsglieder kann nun in bekannter Weise der Takt des übertragenen Signals wiederhergestellt werden und somit der Jitter im Signal reduziert werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Messeinrichtung (7) zur Messung und Signalisierung elektrische Parameter des HF-Eingangssignals wie der Amplitude, des Signal/Rauschabstands oder auch der spektralen Zusammensetzung ausgebildet ist.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Messeinrichtung (7) zur Messung und Signalisierung zusätzlicher physikalischer Parameter, wie dem Abstand zwischen Sender und Empfänger, der Geschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger oder auch einer Temperatur ausgelegt. Wird beispielsweise die Sendesignalamplitude durch die Sendertemperatur beeinflusst, so könnte diese als zusätzlicher Parameter mit herangezogen werden. Das gleiche gilt selbstverständlich auch für die Empfängertemperatur bzw. die Temperatur anderer, die Signalübertragung beeinflussender Bauelemente.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein weiterer Signalpfad umfassend einen Sender, eine Leiterstruktur und eine zusätzliche Empfangsantenne mit einer damit verbundenen Auswerteeinrichtung vorhanden ist. Das über diesen weiteren Signalpfad übertragene und von der zusätzlichen Auswerteeinrichtung ausgewertete Signal dient als Referenzsignal zur Auswertung des Datensignals. Eine Auswertung kann z. B. durch Vergleich der beiden Signale oder zumindest charakteristischer Eigenschaften der Signale, wie beispielsweise Amplitude, Signal/Rauschverhältnis, etc. erfolgen. Ebenso könnte auch über die erste Empfangsantenne (1) ein Referenzsignal empfangbar sein.

Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung weist wenigstens eine Steuereinheit zur Steuerung der Verkoppelung zwischen eine Empfangsantenne (1) und einer Sendeleiterstruktur auf. Weiterhin ist eine Messeinrichtung (7) zur Ermittlung von wenigstens einem für die Signalqualität relevanten Parameter vorgesehen, wobei diese Messeinrichtung derart mit der Steuereinheit zur Steuerung der Verkoppelung verbunden ist, dass sie dieser die Ermittelten, für die Signalqualität relevanten Parameter übermittelt. Weiterhin ist die Steuereinheit zur Steuerung der Verkoppelung derart gestaltet, dass sie die Verkoppelung zwischen der Empfangsantenne (1) und der Sendeleiterstruktur entsprechend den von der Messeinrichtung signalisierten Parametern einstellt. Die Einstellung der Verkoppelung kann beispielsweise durch Verändern der geometrischen Anordnung, durch zusätzliche Gestaltung mit vorgegebenen Impedanzen oder durch Einfügen von Materialien, die die Verkoppelung beeinflussen, gestaltet werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zusätzliche dielelektrische bzw. ferromagnetische Elemente vorhanden, welche entsprechend den Steuersignalen in den Raum zwischen Sendeleiterstruktur und Empfangsantenne eingebracht werden. So kann beispielsweise durch das Einbringen von dielektrischen Materialien die Verkoppelung erhöht werden. Dies kann beispielsweise zur kontinuierlichen Steuerung der Kopplung mittels einer keilförmigen bzw. schraubenförmigen Anordnung erfolgen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zusätzliche Impedanzen an die Empfangsantenne geschaltet, um die Kopplung auf gewünschte Werte einzustellen. Durch entsprechende Dimensionierung kann auch eine Frequenzabhängigkeit der Verkoppelung eingestellt werden. Durch eine stärkere Belastung der Empfangsantenne mit niederohmigen Impedanzen kann die Verkoppelung verringert und durch eine geringere Belastung erhöht werden.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zusätzliche Stellelemente vorgesehen sind, um die Position der Empfangsantenne gegenüber der Sendeleiterstruktur entsprechend den ermittelten Parametern anzupassen. So kann beispielsweise zur Erhöhung der Kopplung der Abstand verringert und zur Reduzierung der Kopplung der Abstand erhöht werden. Ebenso kann im Falle einer unsymmetrischen Verkoppelung bei der Übertragung symmetrischer Signale beispielsweise durch eine Verkippung der Empfangsantenne gegenüber der Sendeleiterstruktur die Symmetrie korrigiert werden.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.

1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

2 zeigt eine modifizierte erfindungsgemäße Vorrichtung.

In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung beispielhaft abgebildet. Eine Empfangsantenne (1) in allgemeiner Form ist zum Abgriff elektrischer bzw. elektromagnetischer Signale aus dem Nahfeld einer sendenden Leiterstruktur vorgesehen. Hierbei wird das von der Empfangsantenne (1) empfangene HF-Eingangssignal (4) einer Signalaufbereitungseinheit (2) zugeleitet. Das Ausgangssignal (5) der Signalaufbereitungseinheit wird einer Messeinrichtung (7) zur Messung der Signalübertragungsrelevanten Parameter und einem Digitalisierer (3) zur Umsetzung in digitale Signale zugeführt. Weiterhin ist eine Regelschleife derart vorgesehen, dass das Signal der Messeinrichtung (7) als Rückkoppelsignal (8) zur Steuerung der Signalaufbereitungseinheit (2) dieser zugeführt wird. Die Messeinrichtung ermittelt bestimmte, das HF-Eingangssignal beschreibende Parameter, wie wahlweise die Signalamplitude, Rauschleistung, Störpegel, Signal/Rauschabstand, Augenöffnung in Höhe bzw. Breite sowie wahlweise eines aus mehreren dieser Parameter zusammengesetzten summarischen Parameters. Der so ermittelte Parameter wird als Steuersignal (8) der Signalaufbereitungseinheit zugeführt. Entsprechend dieses Steuersignals erfolgt die Aufbereitung des HF-Eingangssignals.
In 2 ist eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung in allgemeiner Form abgebildet. Das von einer Empfangsantenne (1) aufgegriffene HF-Eingangssignal (4) wird einer Messeinrichtung (7) zur Ermittlung von signalrelevanten Parametern sowie eine Signalaufbereitungseinheit (2) zur Signalaufbereitung zugeführt. Das Ausgangssignal (5) der Signalaufbereitungseinheit wird wiederum einem Digitalisierer (3) zur Umsetzung der analogen Signale in digitale Signale zugeführt. Die Messeinrichtung ermittelt bestimmte signalrelevante Parameter, wie oben beschrieben und signalisiert diese als Steuersignal (10) für die Signalaufbereitung der Signalaufbereitungseinheit. Diese stellt entsprechend ihre Parameter ein, so dass dem Digitalisierer ein Signal (5) mit weitgehend konstanten Eigenschaften übermittelt wird.

1: Empfangsantenne
2: Signalaufbereitungseinheit
3: Digitalisierer
4: HF-Eingangssignal
5: amplitudengeregeltes Signal
6: digitales Ausgangssignal
7: Messeinrichtung
8: Rückkopplung
10: Steuersignal

Claims

Vorrichtung zum Empfang digitaler Signale umfassend – eine Empfangsantenne (1) zum Empfang von Signalen im Nahfeld einer Sendeleiterstruktur, – eine Signalaufbereitungseinheit (2) zur Aufbereitung der von der Empfangsantenne gelieferten Signale, – einen Digitalisierer (3) zur Umwandlung der von der Signalaufbereitungseinheit gelieferten Signale in digitale Signale, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (7) zur Ermittlung von wenigstens einem für die Signalqualität relevanten Parameter wie das Rauschen, die Bitfehlerrate oder die spektrale Zusammensetzung des Signals vorgesehen ist und diese Messeinrichtung (7) derart mit der Signalaufbereitungseinheit (2) verbunden ist, dass sie dieser die ermittelten für die Signalqualität relevanten Parameter übermittelt und die Signalaufbereitungseinheit (2) derart gestaltet ist, dass sie die Aufbereitung der Signale entsprechend den von der Messeinrichtung (7) signalisierten Parametern vornimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungseinheit (2) im Frequenzverlauf steuerbare Filter aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungseinheit (2) eine steuerbare Übertragungsfunktion aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungseinheit (2) Mittel zur Taktregeneration aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (7) zur Messung und Signalisierung elektrischer Parameter des HF-Eingangssignals (4), wie der Amplitude, des Signal/Rauschabstands, der spektralen Zusammensetzung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (7) zur Messung und Signalisierung zusätzlicher physikalischen Parameter, wie beispielsweise des Abstands zwischen Sender und Empfänger, der Geschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger oder auch einer Temperatur ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Auswerteeinrichtung, sowie ein zusätzlicher Sender zur Aussendung von Referenzsignalen, welche von der zusätzliche Auswerteein richtung auswertbar sind, vorgesehen ist, wobei das zusätzlich ausgewertete Signal als Referenzsignal zur Bestimmung der für die Signalqualität relevanten Parameter dient.
Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Steuereinheit zur Steuerung der Verkoppelung zwischen einer Empfangsantenne (1) und einer Sendeleiterstruktur sowie eine Messeinrichtung (7) zur Ermittlung von wenigstens einem für die Signalqualität relevanten Parameter wie das Rauschen, die Bitfehlerrate oder die spektrale Zusammensetzung des Signals vorgesehen ist und diese Messeinrichtung (7) derart mit der Steuereinheit zur Steuerung der Verkoppelung verbunden ist, dass sie dieser die ermittelten für die Signalqualität relevanten Parameter übermittelt und die Steuereinheit zu Steuerung der Verkoppelung derart gestaltet ist, dass sie die Verkoppelung zwischen der Empfangsantenne und der Sendeleiterstruktur entsprechend den von der Messeinrichtung (7) signalisierten Parametern vornimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche dielelektrische bzw. ferromagnetische Materialien vorgesehen sind, die mittels geeigneter Stellglieder in den Raum zwischen Empfangsantenne und Sendeleiterstruktur entsprechend den Signalen der Messeinrichtung eingebracht werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8 bzw. 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Impedanzen an die Empfangsantenne geschaltet werden, um die Verkoppelung entsprechend anzupassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Stellelemente zur mechanischen Positionierung der Empfangsantenne in Bezug auf die Sendeleiterstruktur vorgesehen sind, um die Verkoppelung entsprechend anzupassen.