WO2002051089A2

WO2002051089A2 - Mehrträgerübertragung auf einer energieversorgungsleitung

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Publication number: WO2002051089A2
Application number: PCT/DE2001/004583
Authority: WO
Inventors: Norbert Elsner; Gerd Griepentrog; Reinhard Maier; Klaus Dostert; Wilfried Matthee
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2003-06-20
Also published as: EP1344366A2; NO20032823D0; JP2004531106A; US20040047427A1; DE10063675C1; WO2002051089A3; CN1526223A; JP4125956B2; NO20032823L; US7161985B2

Abstract

Bei der Datenübertragung auf elektrischen Energieleitungen ist das OFDM-Verfahren bekannt, bei dem die zu übertragende Information auf zahlreiche Träger verteilt und das Summensignal der modulierten Trägersignale in Form eines OFDM-Blocks übertragen wird. Standard-OFDM-Verfahren sind jedoch in hohem Maße empfindlich gegen starke periodische Impulsstörer. Gemäß der Erfindung wird das Verfahren daher so ausgelegt, dass die zu übertragenden OFDM-Blöcke eine Länge von etwa 85 % des Abstandes zwischen zwei periodischen Störimpulsen aufweisen. Der Trägerabstand ergibt sich entsprechend aus der reziproken Dauer der OFDM-Blöcke. Die gesendeten OFDM-Blöcke werden so mit impulsförmigen periodischen Störern synchronisiert, dass jeweils ein Block zwischen zwei Störimpulsen liegt. Beim Empfänger können die impulsförmigen Störer ausgeblendet werden. Dazu weist die Vorrichtung einen entsprechend ausgelegten Sender (20) und zugehörigen Empfänger (30) auf.

Description

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Speziell bei Gleichstromversorgungen treten i.a. aufgrund der Gleichspannungsgenerierung mit Gleichrichtern insbesondere periodische Störsignale auf_r .dj-^e nachfolgend kurz als „Stö- rer oder allgemein als Störimpulse bezeichnet werden. ^{' ;}

Die periodischen Störimpulse werden durch die Kommutierung des Stromes im Gleichrichter hervorgerufen. Die Stromrichterbauelemente oder Ventile, üblicherweise Dioden oder Thyristoren, in einem Gleichrichter führen den Gleichstrom abwech- selnd. Bei Wechsel des Gleichstromes von einem Ventil auf ein anderes Ventil entsteht durch Induktivitäten zwischen den Ventilen eine Spannungsspitze, die mit Spannungsanstiegen in der Größenordnung von etwa 400 kV/s verbunden ist. Da die Kommutierungszeitpunkte von der Frequenz des Wechselstromnet- zes bestimmt werden, treten die Störimpulse in einem bestimmten zeitlichen Raster, also periodisch, auf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein geeignetes Datenübertragungsverfahren anzugeben, das insbesondere in Gleichspan- nungs-Energieversorgungen anwendbar ist, und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen angegeben. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruches 9. Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Sachansprüchen angegeben.

Bei der Erfindung wird das eingangs genannte Problem in einfacher Weise dadurch gelöst, indem das OFDM-Verfahren so ausgelegt wird, dass die zu übertragenden OFDM-Blöcke eine Länge von etwa 85 % des Abstandes zwischen zwei periodischen Störimpulsen aufweisen. Um die Orthogonalität der Träger zu ge- währleisten, muss die Frequenzdifferenz von zwei Trägern in einem ganzzahligen Verhältnis zur reziproken Länge des OFDM- Blockes stehen. cυ u r KJ h-¹ P¹ cπ o cπ o cπ o Cπ

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Störungen aufweist. Dies gilt generell für Gleichspannungsnetze und häufig auch für Wechselspannungsnetze.

Weitere Einzelheiten und Vorteile- der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen

Figur 1 in einer graphischen Darstellung den zeitlichen Verlauf einer Gleichspannung für ein U-Bahnsystem, Figur 2 den Senderteil und

Figur 3 den Empfängerteil einer geeigneten Vorrichtung zur Datenübertragung bei Gleichspannungsverläufen gemäß Figur 1.

Auf Stiomversorgungsleitungen von U-Bahnen sollen zusätzlich zur Energieversorgung Daten übertragen werden. Die auch als Powerline Communication (PLC) bezeichnete Technik moduliert hierbei die zu übertragenden Informationen auf geeignete Träger und überlagert die Modulationsprodukte der Versorgungs- Spannung des U-Bahnsystems .

U-Bahnen werden beispielsweise mit einer Nenn-Gleichspannung von 750 V betrieben. Allgemein üblich ist es, die Gleichspannung durch 12-pulsige Gleichrichter bereitzustellen, die wie- derum von einem Stromrichtertrafo gespeist werden. Hierbei bestehen die 12-pulsigen Gleichrichter aus zwei 6-pulsigen Gleichrichtern, die wiederum von zwei, zueinander 30° elektrisch versetzten Wicklungen des Stromrichtertrafos gespeist werden. Der Stromrichtertrafo ist primärseitig mit der allge- meinen Energieversorgung mit einer Netzfrequenz von 50 Hz verbunden. Das beschriebene Verfahren ist ohne Einschränkung auch bei anderen Frequenzen wie z.B. 60 Hz einsetzbar.

Im allgemeinen enthält ein U-Bahnsystem. mehrere Gleichrich- ter, die in Abständen von ca. 2 km entlang des Streckennetzes installiert sind. Sämtliche Gleichrichter speisen das U-Bahn- System gemeinsam und sind über die Stromschiene des U-Bahn- Systems elektrisch miteinander verbunden.

Zur weiteren Verdeutlichung der Problemstellung zeigt Figur 1 beispielhaft einen gemessenen zeitlichen Verlauf der Bahn- Gleichspannung über einen Zeitraum von 20 ms. Das Spannungssignal ist mit 1 bezeichnet. Es ist ersichtlich, dass die Gleichspannung nicht konstant, sondern vielmehr Schwankungen von bis ca. 80 V unterworfen ist.

Insbesondere bei der Kommutierung der Ströme in den Gleichrichtern entstehen im Abstand von 20 ms/12 = 1,67 ms (bei 50 Hz - Versorgung) steilflankige SpannungsSprünge mit Amplituden von typisch 50 V. Die hieraus resultierenden, breitban- digen Störungen reichen bis zu Frequenzen von einigen 100 kHz und liegen damit im Frequenzbereich von Powerline-Communica- tion-Systemen.

Aus Figur 1 ergibt sich, dass die durch die steilflankigen Spannungssprünge der Bahnspannung hervorgerufenen Störungen durch Filter nur teilweise unterdrückt werden können, da immer ein Teil der spektralen Störenergie den Bandpass passieren kann. So werden selbst durch aufwendige Filterschaltungen die Spannungssprünge auf der Bahnspannung lediglich auf 10 % reduziert und betragen damit typisch 5 V. Nach einem Filter sind somit immer noch netzsynchrone, periodische Impulsstörer beträchtlicher Amplitude vorhanden.

Das am Empfänger ankommende Nutzsignal eines PLC-Syste s ist von den Übertragungseigenschaften der Strecke und der Entfernung des Senders abhängig und beträgt wegen begrenzter zulässiger Sendeleistung nur einige 10 mV bis höchstens etwa 1 V. Damit ist das impulsförmige Störsignal stets höher als das Nutzsignal, wodurch sich ein sehr schlechtes Signal-Rausch- Verhältnis (SNR = Signal-to-Noise Ratio) ergibt. co ω w N> P> P¹

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können, beeinflusst wird, sonder nur auf das Störimpulsraster fixiert wird.

Es folgt eine Ankoppeleinhei.t^" 24' zur Ankopplung an ein Schie- nensystem 25 einer U-Bahn.^' Auch ein anderes Stromversorgungsnetz für verkehrstechnische Einrichtungen kann genutzt werden.

Im Sender 20 wird das Datensignal so partitioniert, dass ein einzelner Datenblock mit einem gewissen Sicherheitsabstand jeweils zwischen zwei Störimpulse passt. Somit wird das Datensignal stets in einem störungsfreien Zeitabschnitt ausgesandt, wobei die präzise zeitliche Korrelation zum Störim- pulsraster mit der oben beschriebenen Kombination aus SchwelJJwertschalter 33a und nachfolgender Phasenregelschleife 33b hergestellt wird.

In Figur 3 ist ein Empfänger 30 aus einer Ankoppeleinheit 31 für das Schienensystem aus Figur 2 gebildet, dem ein Filter 32, eine Impedanz 34 und ein Kurzschließer 35 folgt.

Dem Kurzschließer 35 erfolgt eine Einheit zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC = Automatic Gain Control) entsprechend dem Stand der Technik. Über einen A/D-Wandler 37 werden die Daten auf eine Verarbeitungseinheit 38 für OFDM-Signale gegeben.

Auch hier werden mit Hilfe eines Schwellwertschalters auf Netzseite die Störimpulse erfasst und als rechteckför iges Führungssignal einer Phasenregelschleife (PLL) zwecks Jitter- unterdrückung zugeführt.

Das stabile Synchronisationssignal aus der Phasenregelschleife im Zeitraster der Störimpulse wird nun zum einen dem^'Kurz- schließer 35 und zum anderen der Verarbeitungseinheit 38 für OFDM-Signale zugeführt. Der Kurzschließer unterdrückt somit das Empfangssignal genau so lange wie ein Störimpuls dauert und gibt den Empfängereingang frei, sobald der störungsfreie Zeitabschnitt zwischen den Störimpulsen beginnt. Durch das stabile Synchronisationssignal, ist der Verarbeitungseinheit 38 für OFDM-Signale die genaue^' zeitliche Lage der zu verar- beitenden Datenpakete bekannt, so dass eine einwandfreie Datenrückgewinnung erfolgen kann.

Statt des Kurzschließers 35 in der Ausgangsleitung des Filters 32 mit vorgeschalteter Impedanz 34 kann auch ein Schal- ter im Parallelzweig verwendet werden. Die Impedanz 34 wird in diesem Fall nicht benötigt.

Nach der Entkopplung über die Impedanz 34 wird der Störimpuls z.B. dadurch von der OFDM-Verarbeitungseinheit ferngehalten, dass die Signalleitung über einen Analogschalter, z.B. in

Form eines Transistors, kurzgeschlossen wird. Wie erwähnt ist es auch möglich, einen elektronischen Schalter seriell anzubringen und während der Impulsstörung die nachgeordnete Signalverarbeitung vom Filterausgang zu trennen.

Das Signal wird dem Verstärker 36 mit automatischer Verstärkungsregelung (AGC) zugeführt, die es auf einen optimal für die A/D-Wandlung festgelegten Pegel verstärkt. In den nachfolgenden Verarbeitungseinheiten werden dann die partitio- nierten Signale zusammengefügt und dem Stand der Technik entsprechend dekodiert.

Wesentlich ist bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung, dass das an sich bekannte OFDM- Verfahren durch eine Aufteilung, d.h. eine sog. Partitionie- rung der Daten, modifiziert wird, und zwar so, dass eine Übertragung nur in nahezu störungsfreien Zeitabschnitten erfolgt.. Dazu erfolgt eine Synchronisation des Sendevorgangs mit dem periodischen Impulsstörer und es wird jeweils genau zwischen den Störimpulsen gesendet. Entsprechend erfolgt im Empfänger die Detektion und ein Ausblenden der Störimpulse. Nach der OFDM-Signalverarbeitung ist eine Zusammensetzung der partitionierten Daten möglich.

Die Erfindung wurde vorstehend^' speziell für die Datenübertragung bei einer Gleichspannüngsversorgung für U-Bahnen beschrieben. Auch bei anderen mit Gleichspannung betriebenen Netzen, beispielsweise bei Gleichspannungsnetzen zur Eigenversorgung von Schaltanlagen, ist die Erfindung einsetzbar.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Übertragung .y.on Daten auf wenigstens einer elektrischen Energieversorgungsleitung, wobei periodisch i - pulsförmige Störsignale mit dazwischen liegenden nahezu störungsfreien Zeitabschnitten auftreten, unter Einsatz des OFDM-Verfahrens^' (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) , wobei die zu übertragende Information auf mehrere Träger verteilt und das Summensignal aller modulierten Träger in Form eines OFDM-Blocks übertragen wird, mit folgenden Merkmalen:

- das OFDM-Verfahren wird so ausgelegt, dass die zu übertragenden OFDM-Blöcke den Großteil der Periodendauer der im- pulsförmigen Störsignale ausfüllen und zwischen zwei aufeinander folgenden OFDM-Blöcken eine Pau- se vbn etwa der Dauer eines Störimpulses eingehalten wird,

- die Lage der gesendeten OFDM-Blöcke wird so mit den im- pulsförmigen, periodischen Störimpulsen synchronisiert, dass ein OFDM-Block zwischen zwei periodischen Störimpulsen liegt, und - die impulsförmigen Störsignale am Empfänger durch eine geeignete Schaltung ausgeblendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die OFDM-Blöcke eine Länge von etwa 85 % der Periodendauer der impulsförmigen Störsignale ausfüllen und zwischen zwei aufeinander folgenden OFDM-Blöcken eine Pause von ca. 15 % der Periodendauer der Störsignale einhalten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Synchronisation zwischen den periodisch wiederkehrenden Störimpulsen und den Sendern und Empfängern über Schwellwertschalter zur Impulsdetektion vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Sender nach dem Einrasten der Phasenregelschleife auf die Impulsstörerfolge der Schwellwertschalter während der Aussendung der Daten deaktiviert wird und nur zu den Zeiten, .--zu, denen ein Störimpuls erwartet wird, ein passendes Zeitfenster geöffnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Unterdrückung von Jitter bei der Synchronisation eine analoge oder digitale Phasenregelschleife eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das OFDM-Signal die Schaltung zum Ausblenden von Störimpulsen ungehindert passieren kann. 1

7. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen Ankoppeleinheit und Empfänger eine Impedanz angebracht wird, und die Störer durch Kurzschließen der Empfangsleitung hinter der Impedanz ausgeblendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Störimpulse durch Trennen der Ankoppeleinheit vom Empfänger ausgeblendet wer- den.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die periodisch wiederkehrenden Störimpulse zu einer Grobsynchronisati- on von OFDM-Sendern und OFDM-E pfängern genutzt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der erste OFDM-Block zur Feinsynchronisation des Empfängers genutzt wird, und dass im Anschluss an die Feinsynchronisation Trainingssequenzen übertragen werden und dass sich daran die die Nutzinformation tragenden OFDM-Blöcke anschließen.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2^; bis 10, mit einem Sender und mit einem Empfänger, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Sender (-20) und der Empfänger (30) Verarbeitungseinheiten (21, 38) für das OFDM-Signal mit zugehörigen Ankoppeleinheiten (24, 31) aufweisen, wobei Mittel (23, 33) zur Synchronisation der Sendesignale mit den periodischen Störimpulsen vorhanden sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mittel zur Synchronisation Schwellwertschalter (23a, 33a) mit nachgeschalteter Phasenregelschleife (23b, 33b) im Sender (20) und im Empfänger (30) sind, wobei der Schwellwertschalter im Sender nach Einrasten der Phasenregelschleife nur noch in den Zeitabschnitten, in denen ein Störimpuls erwartet wird, aktiv ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass im Sender (20) der Verarbeitungseinheit (21) für das OFDM-Signal ein Verstärker (22) nachgeschaltet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass der Empfänger (30) eine Verarbeitungseinheit (38) für das OFDM-Signal und eine Ankoppeleinheit (31) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass der Ankoppeleinheit (31) ein Filter (32), eine Impedanz (34) und ein Kurzschließer (35) nachgeschaltet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass der Ankoppeleinheit (31) ein Filter (32) und ein Schalter im Längszweig ohne Impedanz nachgeschaltet sind.