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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung digitaler Signale zwischen mehreren gegeneinander beweglichen Einheiten.
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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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. Ebenso ergeben sich hierbei Änderungen der Störfestigkeit.
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Eine Verbesserung der Übertragungseigenschaften bringt die in der
DE 197 00 110 A1 veröffentlichte Vorrichtung, welche an Stelle einer Streifenleitung eine Leiterstruktur mit Filtereigenschaften aufweist. Grundsätzlich bleiben aber die Probleme bestehen.
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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.
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Der Nachteil der dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen liegt in einer noch unzureichenden Störfestigkeit. So können zwar die Sendesignalpegel in der Leitung erhöht werden, um die Störfestigkeit zu verbessern. Damit steigt aber auch die unerwünschte Abstrahlung hochfrequenter Signale. Bei einer Verringerung des Sendesignalpegels sinkt zwar die Abstrahlung, aber die Immunität gegen eingestreute Störungen von außen sinkt ebenfalls.
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Darstellung der Erfindung
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Es stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zur elektrischen Signalübertragung zu gestalten, welche die oben aufgezeigten Nachteile vermeidet und insbesondere eine hohe Störfestigkeit und somit eine hohe Übertragungsqualität der Signale aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Mitteln gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen weiteren Ansprüche.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Übertragung digitaler Signale zwischen wenigstens zwei gegeneinander beweglichen Einheiten. Selbstverständlich können auf jeder Seite der Bewegung eine oder mehrere Einheiten angeordnet sind. Zur vereinfachten Darstellung wird hier ausschließlich auf eine zweite Einheit, welche gegenüber einer ersten Einheit beweglich ist, Bezug genommen. Der ersten Einheit ist eine Datenquelle (1) zur Erzeugung eines seriellen Datenstroms, wie beispielsweise ein dem Stand der Technik entsprechender Paralle-1/Seriell - Wandler zugeordnet. Weiterhin ist ein Sender (2) vorgesehen, der aus dem seriellen Datenstrom der Datenquelle elektrische Signale zu Übertragung über einen Schleifring erzeugt. Der zweiten Einheit ist eine Empfangsantenne (4) zum Abgriff elektrische Signale im Nahfeld des Schleifrings zugeordnet. Die elektrischen Signale der Empfangsantenne werden über einen Empfänger (5) einer Datensenke (6) zur Weiterverarbeitung der Signale zugeführt.
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Erfindungsgemäß ist nun eine Codiereinrichtung (7) zwischen Datenquelle (1) und Sender (2) vorgesehen. Diese Codiereinrichtung ist derart ausgelegt, dass sie die digitale Kodierung des Datenstroms derart umsetzt, dass die Daten mit minimalen Fehlern über Sender (2), Schleifring , Empfangsantenne (4) sowie Empfänger (5) übertragbar sind.
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Entsprechend dem Wesen der Erfindung ist die Codiereinrichtung in dem elektrischen Signalpfad zwischen Datenquelle (1) und Sender (2) vorgesehen. Selbstverständlich kann diese Codiereinrichtung auch in dem Sender (2) angeordnet sein.
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Das wesentliche Merkmal der Codiereinrichtung ist deren Anpassung der Kodierung eines beliebigen digitalen Signals an die Übertragungseigenschaften der elektrischen Datenstrecke zwischen Sender und Empfänger.
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Erfindungsgemäß weist die Codiereinrichtung zusätzliche Speichermittel sowie Mittel zur Anpassung der Datenrate des zu übertragenden seriellen Datenstroms auf. Somit kann entsprechend den aktuellen Übertragungseigenschaften der Übertragungsstrecke zwischen Sender und Empfänger die Datenrate angepasst werden.
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Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine wesentlich bessere Signalübertragungsqualität als mit dem Stand der Technik erreichbar.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zweiten Einheit zwischen Empfänger (5) und Datensenke (6) eine Decodiereinrichtung (9) zur Dekodierung der von der Codiereinrichtung (7) kodierten Signale zugeordnet. Durch diese Decodiereinrichtung wird die Kodierung der Codiereinrichtung wieder rückgängig gemacht, so dass die der Datensenke zugeführten Signale dem Datenstrom der Datenquelle (1) entsprechen. Selbstverständlich kann die Decodiereinrichtung auch im Empfänger (5) angeordnet sein. Somit ist die Kodierung zum optimalen Transport der Daten auf der Datenstrecke für Datenquelle bzw. Datensenke vollkommen transparent.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt durch die Kodierung des Datenstroms mittels der Codiereinrichtung (7) eine Umsetzung der spektralen Eigenschaften des Datenstroms. So erfolgt die Kodierung derart, dass die Leistung des Signals in vorgegebenen Spektralbereichen wahlweise erhöht oder abgesenkt wird. Durch eine Anpassung der spektralen Eigenschaften des Signals kann die Übertragungsqualität an den Frequenzgang der übrigen Übertragungsstrecke sowie an vorhandene Störer bzw. störempfindliche Komponenten angepasst werden.
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Weist die Datenstrecke zwischen Sender und Empfänger beispielsweise in einem oder mehreren bekannten Frequenzbereichen eine besonders hohe Dämpfung auf, so kann nun vorteilhafterweise die Kodierung derart ausgelegt werden, dass dieser Frequenzbereich zur Übertragung nicht verwendet wird. Im umgekehrten Fall kann bei Frequenzbereichen besonders niedriger Dämpfung durch geeignete Kodierung ein Maximum im diese Frequenzbereiche gelegt werden.
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Sind externe Störer vorhanden, welche die Übertragung der Signale beeinträchtigen, so wird die Kodierung vorteilhafterweise derart vorgenommen, dass wahlweise diese Frequenzbereiche ausgespart werden. Alternativ dazu könnte auch in diesen Frequenzbereichen eine besonders hohe Amplitude abgegeben werden.
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Sind besonders störempfindliche Komponenten außerhalb der Datenstrecke vorhanden, so kann durch die Kodierung das Spektrum des übertragenen Signals derart angepasst werden, dass in dem Frequenzbereichen hoher Störempfindlichkeit nur geringe Signalpegel abgegeben werden. Grundsätzlich kann hier auch das bekannte Linienspektrum digitaler Signale durch eine geeignete Kodierung verbreitert werden, um die nach den gängigen EMV-Normen gemessenen Grenzwerte einzuhalten.
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Die Kodierung erfolgt vorteilhafterweise derart, dass das übertragene Signal gleichstromfrei ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Art der Kodierung dynamisch einstellbar, so dass diese sich vorteilhafter Weise an durch die Bewegung hervorgerufene Änderungen anpassen kann. Hierzu ist vorteilhafterweise eine Steuereinheit mit Mitteln zur Ermittlung des aktuellen Betriebszustandes und einer entsprechenden Vorgabe der Kodierung an die Kodiereinrichtung vorgesehen.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Codiereinrichtung derart gestaltet, dass sie zusätzliche Redundanz in dem Datenstrom einbringt. Durch diese zusätzliche Redundanz werden weitergehende Korrekturen der Informationen des Datenstroms im Falle von Übertragungsfehlern ermöglicht. Diese Korrekturen können nun wahlweise von der Datensenke, bevorzugt aber von einer Decodiereinrichtung vorgenommen werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Codiereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie Informationen an bekannten Stellen des Datenstroms ersetzt. So sind die Kodierungsmechanismen der meisten Datenquellen bekannt. Durch eine Auswertung zumindest des Rahmens einzelner Datenpakete können die wesentlichen Informationen des Datenstroms erkannt werden. Dabei können nicht relevante Informationen zu Übertragung zusätzliche Redundanz eingesetzt werden. Ebenso kann durch Zusammenfassung mehrerer Datenpakete bzw. Änderung der Paketstruktur die Redundanz sowie Störsicherheit der übertragenen Informationen erhöht werden. Beispielsweise können mit Datenpakete einer 4B/5B Kodierung in ein Datenpaket einer 8B/10B Kodierung umgesetzt werden.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Codiereinrichtung derart ausgelegt, dass sie die Datenrate des seriellen Datenstroms erhöht und somit Raum für zusätzliche redundante Informationen schafft. Vorteilhafterweise erfolgt eine solche Umsetzung der Datenrate oder auch wahlweise eine zuvor beschriebene Umsetzung der Kodierung bzw. der Paket Informationen durch Umsetzung des seriellen Datenstroms der Datenquellen im Parallele Datenworte, welche leicht modifiziert werden können sowie die anschließende Umsetzung in einen geänderten seriellen Datenstrom zur Übertragung.
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Eine andere Ausgestaltung der Erfindung weist eine Codiereinrichtung mit wenigstens einem Multiplexer zur Integration weiterer Signale bzw. Datenströme in den von der Datenquelle (1) erzeugten seriellen Datenstrom auf. Häufig sind neben dem Haupt-Datenstrom noch zusätzliche Informationen, meist Steuersignale zu übertragen. Diese können mittels eines Multiplexers in der Codiereinrichtung vorteilhafterweise in den Datenstrom mit integriert werden.
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Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Codiereinrichtung auf, welche zur Erhöhung der Sicherheit die zu übertragenden Signale codiert bzw. verschlüsselt. Entsprechend der Sicherheitsanforderungen kann hierzu ein kürzerer oder längerer Schlüssel verwendet werden. Entsprechend den Mittel zur Entschlüsselung können kann wahlweise in der Datensenke bzw. in der Decodiereinrichtung vorgesehen sein.
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Bei gegeneinander beweglichen Einheiten variiert die aktuelle zu übertragende Datenrate häufig mit der Zeit bzw. mit der Position. Einflussgrößen sind beispielsweise der Abstand der beiden gegeneinander beweglichen Einheiten, die Verkoppelung zwischen diesen Einheiten oder auch externe Störeinflüsse. Mit Hilfe der Codiereinrichtung wird die Datenrate kontinuierlich angepasst. Ist beispielsweise zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. bei einer bestimmten Position die Übertragung nur mit einer relativ niedrigen Datenrate möglich, so werden die Daten der Datenquellen in den Speichermitteln zwischengespeichert. Erhöht sich nun durch Zeitablauf bzw. Änderung der Position die mögliche Datenrate der Datenstrecke wieder, so können die zwischengespeicherten Informationen übertragen werden. Entsprechend hierzu ist die Decodiereinrichtung ausgelegt, welche ebenfalls Mittel zur Speicherung von Daten im Falle einer hohen Datenrate von der Codiereinrichtung aufweist und damit einen kontinuierlichen Datenstrom zur Datensenke sicherstellen kann. Zur optimalen Steuerung sind optional Mittel zur Messung der Übertragungseigenschaften vorgesehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Codiereinrichtung zusätzliche Mittel zur Speicherung der Daten auf. Daneben ist ein zusätzlicher Kommunikationskanal zwischen Decodiereinrichtung und Codiereinrichtung zur Signalisierung fehlerhafter Daten durch die Decodiereinrichtung an die Codiereinrichtung vorgesehen. Stellt nur die Decodiereinrichtung fehlerhaft übertragene Daten fest, so signalisiert sie dies der Codiereinrichtung, welche daraufhin die Aussendung der Daten wiederholt. Solche Mechanismen sind grundsätzlich auf höheren Ebenen der Signalübertragung bekannt. So erfolgt in diesen Fällen eine Kommunikation zwischen einem ersten Rechner, welcher mit der Datenquellen verbunden ist und einem zweiten Rechner, welcher mit der Datensenke verbunden ist. Hierbei benötigt die Kommunikation und die Wiederholung der Datenübertragung zusätzliche Rechnerleistung. Durch die Integration in eine niedrige Ebene der Datenübertragung erfolgt die Wiederholung der Übertragung unabhängig vom Übertragungsprotokoll und unabhängig von zusätzlichen Aufwendungen der kommunizierenden Rechner. Somit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung unabhängig von dem daran angeschlossenen Rechnersystemen zu betreiben. Sie gewährleistet gleichzeitig eine maximale Flexibilität und Übertragungssicherheit bei minimaler zusätzlicher Auslastung der angeschlossenen Rechner.
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Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wahlweise in der Codiereinrichtung (7) beziehungsweise in der Decodiereinrichtung (8) Mittel zur Taktregeneration vorgesehen sind. Weiterhin können an beliebiger Stelle der Datenstrecke Mittel zur Taktregeneration vorgesehen sein. Durch die Taktregeneration eines Signals erfolgt die Synchronisation des Signals auf einen Takt konstanter Frequenz, welcher meist mit Hilfe einer PLL aus dem Datenstrom gewonnen wird. Dadurch kann die Kurvenformen des Signals wesentlich verbessert werden. So hat das regenerierte Signal wieder klare Flanken mit reduziertem Jitter und folglich einer vergrößerten Augenöffnung.
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In eine anderen Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Filter wahlweise dem Sender (2) beziehungsweise dem Empfänger (5) zugeordnet. Dieses Filter dient zur Anpassung an die Übertragungseigenschaften der Datenstrecke zwischen Sender und Empfänger. So lassen sich insbesondere auf Seiten des Empfängers frequenzabhängige Amplituden- und Phasengänge korrigieren. Durch derartige Filter können auch externe Störungen reduziert werden.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindung besteht darin, dass das Filter dynamisch einstellbar ist. Gerade bei beweglichen Einheiten ändert sich die Übertragungscharakteristik dynamisch während der Bewegung. Diese kann durch dynamische Filtereinstellung kompensiert werden. Ein solches Filter kann beispielsweise durch einen Mikrocontroller oder durch eine einfache Regelschaltung gesteuert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Mikrocontroller zur Steuerung bzw. Diagnose der Vorrichtung vorgesehen. Dieser Mikrocontroller hat optional einen Speicher zur Speicherung bestimmter Ereignisse, wie Fehler oder auch Überschreitung von Grenzwerten. Vorteilhafterweise besitzt ein solcher Mikrocontroller einen Web-Server, so dass er mittels eines herkömmlichen Personal-Computers oder eines Internet-Terminals lokal oder über das Internet bedient werden kann. Weiterhin ist optional eine Anzeige bestimmter Betriebszustände bzw. Betriebsparameter vorgesehen. So können beispielsweise Übertragungsfehler, Signal/Rauschabstand, Bitfehlerrate oder die Überschreitung bestimmter Grenzwerte angezeigt werden. Die gesamte Steuerung kann optional durch Software neu konfiguriert werden. Somit können beispielsweise Speicherinhalte, Datentabellen, oder auch Programmcode neu entsprechend den Anforderungen geladen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung selbstlernend bzw. adaptiv ausgelegt. Dies bedeutet, dass es sie sich dynamisch, insbesondere während der Bewegung, an die Betriebszustände anpasst. Dies kann beispielsweise durch Ermittlung bestimmter Betriebsparameter, wie Bitfehlerrate, Signalamplitude etc. und anschließende Einstellung von Codiereinrichtung bzw. Decodiereinrichtung bzw. den Filtern erfolgen. Besonders günstig ist deshalb, hier einen Fuzzy-Controller einzusetzen. So kann beispielsweise die Redundanz bzw. die Datenrate als Funktion der Übertragungsfehler eingestellt werden. Dies bedeutet, dass bei einer hohen Anzahl von Übertragungsfehlern beispielsweise eine höhere Redundanz vorgesehen wird. Gerade bei Drehbewegungen, insbesondere mit konstanter Geschwindigkeit, ist es vorteilhaft, die Übertragungsfunktion über die Umdrehung zu speichern und entsprechend abhängig von der Zeit bzw. der Position die Einstellung von Codiereinrichtung bzw. Decodiereinrichtung bzw. Filtern vorzunehmen. Dies ist selbstverständlich auch bei linearen Bewegungen möglich, sofern eine Information über die Position vorhanden ist.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur breitbandigen Übertragung digitaler Signale mittels einer Vorrichtung entsprechend dem Anspruch 1 sieht eine Kodierung sowie eine optionale Dekodierung der Signale zur Verbesserung der Übertragungsqualität vor.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben.
- 1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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In der 1 ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch abgebildet. Die Daten einer Datenquelle (1) werden über eine Codiereinrichtung (7) und einen Sender (2) an eine Sendeleiterstruktur (3) übertragen. Die Sendeleiterstruktur ist entlang der Bahn der Bewegung, die durch den Richtungspfeil (9) angedeutet ist, angeordnet und führt die durch den Sender eingespeisten Signale. Eine Empfangsantenne (4) ermöglicht einen Abgriff der Signale des Nahfeldes der Sendeleiterstruktur. Die von der Antenne abgegriffenen Signale werden über einen Empfänger (5) und eine Decodiereinrichtung (8) zur Datensenke (6) geleitet. Dabei ist die Sendeleiterstruktur (3) in Form eines Schleidrings ausgebildet, hier vereinfacht in abgewickelter Form dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Datenquelle
- 2
- Sender
- 3
- Schleifring als Sendeleiterstruktur
- 4
- Empfangsantenne
- 5
- Empfänger
- 6
- Datensenke
- 7
- Codiereinrichtung
- 8
- Decodiereinrichtung
- 9
- Richtungspfeil für Bewegungsrichtung
