DE10110683A1

DE10110683A1 - Signal transmission between at least two transmitter units and at least one receiver unit, e.g. in vehicle network, involves modulating signals with different transmitter-specific frequencies

Info

Publication number: DE10110683A1
Application number: DE2001110683
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Langhoff
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2002-09-26

Abstract

The method involves modulating the signals with one or more transmission frequencies that are transmitter-specifically different from each other and sending the modulated signals over the common transmission line to at least one receiver unit. The receiver unit(s) spectrally analyzes the signals and evaluates them in accordance with a decision criterion. Independent claims are included for : (1) apparatus for signal transmission between at least two transmitter units and at least one receiver unit; (2) use of the method or apparatus of the invention for transmitting safety-critical information in an x-by-wire system; and (3) use of the method or apparatus of the invention in a land, sea, or air vehicle.

Description

Technical field

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zur Signalübertragung zwischen wenigstens zwei Sendeeinheiten zu wenigstens einer Empfangseinheit über eine zwischen den wenigstens zwei Sendeeinheiten und der wenigstens einen Empfangseinheit gemeinsame Übertragungsleitung.The invention relates to a method and an apparatus for Signal transmission between at least two transmitter units to at least one Receiving unit via one between the at least two transmitting units and the at least one receiving unit common transmission line.

State of the art

Ein wesentlicher Aspekt bei der Konzeption von Signalübertragungssystemen, in denen vorzugsweise digitale Signale innerhalb eines lokalen Netzwerkes (LAN) von einer Sendeeinheit zu einer Empfangseinheit übertragen werden, gilt der Übertragungssicherheit bzw. -zuverlässigkeit. Dieser Aspekt spielt eine um so größere Rolle, handelt es sich bei der Übertragung um sicherheitskritische Signale, die beispielsweise in Form von Steuerbefehlen für spezifische Funktionen oder Aktionen dienen. In diesem Zusammenhang sei auf das "x-by-wire-Prinzip" hingewiesen, das im Kfz-Bereich unter dem Begriff "drive-by-wire" oder im Flugzeugbereich unter dem Begriff "fly-by-wire" bekannt ist und zunehmenden Einzug besitzt. So erlauben derartige Signalübertragungssysteme die mechanische Entkopplung zwischen einer Benutzerschnittstelle und einem geeigneten Aktuator, wodurch insbesondere im mobilen Transportmittelbereich erhebliche Raum- und Gewichtseinsparungen möglich werden. Beispielsweise ist es denkbar, bei der Lenkung in Automobilen die als Verbindung zwischen Lenkrad und Achsschenkel der Vorderachse dienende Lenksäule durch ein elektronisches Übertragungssystem zu ersetzen, wodurch neben den vorstehenden Vorteilen bezüglich Raum- und Gewichtseinsparung neue Designfreiheiten in der Auslegung eines Automobilcockpits erschlossen werden können. Ferner könnten die in elektronischer Form vorliegenden Lenksteuerbefehle in für das gesamte Automobil betreffende elektronische Stabilitätsprogramme integriert werden. Ähnliche Überlegungen können für die Bremsen sowie den gesamten Schaltungsbereich angestellt werden.An essential aspect in the design of signal transmission systems, in which are preferably digital signals within a local area network (LAN) a transmission unit are transmitted to a reception unit, the Transmission security and reliability. This aspect plays out all the more larger role, the transmission involves safety-critical signals, for example in the form of control commands for specific functions or Serve actions. In this context, the "x-by-wire principle" noted that in the automotive sector under the term "drive-by-wire" or in Aircraft is known under the term "fly-by-wire" and increasing Owns. Such signal transmission systems allow mechanical Decoupling between a user interface and a suitable actuator, which in particular in the mobile transport sector considerable space and Weight savings will be possible. For example, it is conceivable that Steering in automobiles as the connection between the steering wheel and steering knuckle Steering column serving front axle through an electronic transmission system replace, which in addition to the above advantages in terms of space and Weight saving new design freedom in the design of an automobile cockpit can be developed. They could also be in electronic form Steering control commands in electronic for the entire automobile Stability programs are integrated. Similar considerations can be made for the Brakes as well as the entire circuit range.

Ein Datenübertragungssystem, das beispielsweise auf der Basis einer Busstruktur realisierbar ist, muss aufgrund der Übertragung höchst sicherheitsrelevanter Signale höchsten Anforderungen an Zuverlässigkeit und Störsicherheit erfüllen. Das gleiche gilt für die Gewährleistung einer akzeptablen Signallaufzeit zwischen den entsprechenden Benutzerschnittstellen und den anzusteuernden Aktuatoren. Unter diesem Gesichtspunkt sind die derzeit auf dem Markt befindlichen Übertragungssysteme kritisch zu hinterfragen und zu bewerten. Die derzeit bekannten Übertragungssysteme seien nachfolgend unter Angabe der jeweiligen Quellennachweise in Form von Internetadressen angegeben.A data transmission system based, for example, on a bus structure is feasible, due to the transmission of highly security-relevant signals meet the highest requirements for reliability and interference immunity. The same applies to ensuring an acceptable signal delay between the corresponding user interfaces and the actuators to be controlled. Under from this point of view are those currently on the market Critically questioning and evaluating transmission systems. The currently Known transmission systems are given below, stating the respective References are given in the form of Internet addresses.

Die meisten vorstehend genannten Übertragungssysteme, die zur Übertragung sicherheitsrelevanter Signale ausgebildet sind, zeigen jedoch spezifische Schwächen, die mit der nur ungenügenden Auslegung ihrer Netzwerkkonfiguration bzw. Topologie zusammenhängen. So lassen sich bei den Systemen CAN, D2B, MOST Fallszenarien problemlos generieren, die einen Ausfall des Gesamtsystems oder wenigstens Teile des Systems herbeiführen. Ein klassisches Fehlerszenario, das in den meisten Systemen nicht abgefangen werden kann, betrifft die "babbling- idiot"-Problematik, was soviel heißt, dass durch defekte, in der Netzwerkstruktur integrierte Sende- oder Empfangseinheiten ein unkontrolliertes Senden in die Übertragungsleitung auftreten kann, was letztlich zu fatalen Fehlern innerhalb der Netzwerkstruktur führt.Most of the above transmission systems used for transmission safety-relevant signals are formed, but show specific Weaknesses due to the insufficient design of their network configuration or topology. With the CAN, D2B, MOST case scenarios easily generate a failure of the overall system or at least bring about parts of the system. A classic failure scenario that cannot be intercepted in most systems concerns the "babbling- idiot "problem, which means that defective, in the network structure integrated sending or receiving units an uncontrolled sending in the Transmission line can occur, which ultimately leads to fatal errors within the Network structure leads.

Um jenes Fehlerszenario des "babbling idiot" möglichst vollständig auszuschließen, wurden weiterentwickelte Protokolle zur Datenübertragung erarbeitet, nämlich die Protokolle "byteflight", "TTP" und "flexray".In order to rule out the "babbling idiot" error scenario as completely as possible, advanced protocols for data transmission were developed, namely the "Byteflight", "TTP" and "flexray" protocols.

Für das byteflight-System, das nach dem sogenannten "Flexible Time Division Multiple Access" arbeitet, nutzt man zur Übertragung der Signale polymeroptische Fasern, die sternförmig angeordnet sind, wobei die zu übertragenden Signale als Lichtsignale umgewandelt werden. Nachteilhaft ist jedoch aufgrund der hohen, den polymeroptischen Fasern innewohnenden, optischen Dämpfung die Verwendung eines aktiven Sternkopplers, der einerseits für eine die sichere Übertragung gewährleistende Signalintensität sorgt und andererseits zur Vermeidung des Fehlerszenarios "babbling idiot" aktiv in die Informationsübertragung eingreift. Sollte ein anderes Übertragungsmedium genutzt werden, muß ein zusätzlicher "bus guardian layer" zur Überwachung und Ausgrenzung fehlerhafter Teilnehmer integriert werden. For the byteflight system based on the so-called "Flexible Time Division Multiple Access "works, one uses polymer optical for the transmission of the signals Fibers, which are arranged in a star shape, the signals to be transmitted as Light signals are converted. However, due to the high polymer optical fibers inherent, optical attenuation the use of an active star coupler, on the one hand for a secure transmission ensuring signal intensity and on the other hand to avoid the Error scenarios "babbling idiot" actively intervenes in the information transfer. Should another transmission medium is used, an additional "bus guardian layer "to monitor and exclude faulty participants become.

Demgegenüber liegt dem TTP-System das Zeitscheibenmodell (time-sharing) zugrunde, bei dem jeder Sendeeinheit feste Timeslots zugeordnet sind, innerhalb derer die Sendeeinheiten sendeberechtigt sind. Das gleiche gilt auch für die entsprechenden Empfangseinheiten, die einer entsprechenden Zeittaktung unterliegen. Der Aufbau und die Realisierung des TTP-Systems ist jedoch äußerst aufwendig und lässt sich überdies nach einer einmalig festgelegten Schaltungskonstellation nur unter großem, zusätzlichem Aufwand modifizieren und erweitern. Auch im Falle des TTP-Systems bedarf es zur Vermeidung des Fehlerszenarios "babbling idiot" des aktiven Eingriffes in die Datenübertragung bzw. eines Zugriffes auf die an der Datenübertragung beteiligten Sende- und Empfangseinheiten durch eine separate, höherstehende Ebene, durch die die Aktivierung der jeweiligen Sende- und Empfangseinheiten jeweils nur in ihren jeweiligen Zeitfenstern (Timeslots) sichergestellt wird.In contrast, the TTP system is the time slice model (time sharing) underlying, in which each transmission unit is assigned fixed timeslots, within which the sending units are authorized to send. The same applies to the corresponding receiving units that have a corresponding timing subject. However, the structure and implementation of the TTP system is extreme complex and can also be set after a one-off Modify circuit configuration only with great additional effort and expand. Even in the case of the TTP system, it is necessary to avoid the Error scenarios "babbling idiot" of the active intervention in the data transmission or an access to the transmitting and Receiving units through a separate, higher level through which the Activation of the respective sending and receiving units only in their respective time slots (timeslots) is ensured.

Das Kommunikationsverfahren von FlexRay geht einen Mittelweg. Es gibt einen statischen Teil, der aus einer bei der Initialisierung des Systems festgelegten Anzahl von Sendeslots besteht (analog TTP), und einem dynamischen Anteil, in dem die Kommunikation gemäß der byteflight-Spezifikation durchgeführt wird.The FlexRay communication process is a middle ground. There is one static part made up of a number specified when the system was initialized of broadcast slots (analog TTP), and a dynamic part in which the Communication is carried out according to the byteflight specification.

Neben den vorstehend genannten Übertragungssystemen geht aus der DE 42 36 002 A1 ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Verbindung mehrerer digitaler Datenkanäle zu einem Übertragungskanal hervor, bei dem eine Vielzahl unterschiedlicher Datensignale mit nur einer einzigen Trägerfrequenz übermittelt werden, wobei die Vielzahl unterschiedlicher Datensignale mit unterschiedlichen Datenraten moduliert werden. Die Datenübertragung erfolgt grundsätzlich leitungslos zwischen einer Sender- und Empfangseinheit, beispielsweise zwischen einem fahrenden Automobil und einer feststehenden Bake.In addition to the transmission systems mentioned above, DE 42 36 002 A1 a method and a circuit arrangement for connecting several digital data channels to a transmission channel in which a variety different data signals transmitted with only a single carrier frequency be, the large number of different data signals with different Data rates are modulated. The data transmission is basically wireless between a transmitter and receiver unit, for example between one moving automobile and a fixed beacon.

Aus der DE 33 47 181 A1 geht demgegenüber ein Modulationsverfahren zur netzgebundenen Signalübertragung sowie eine diesbezügliche Schaltungsanordnung hervor, bei dem jedes zu übertragende Signal in mehrere gleichzeitig gesendete, schmalbandige Teilsignale unterteilt wird, deren Frequenzen zueinander unterschiedlich sind. Jeder Empfänger akzeptiert ein Signal dann, wenn er gleichzeitig eine vorgegebene Anzahl dieser Teilsignale empfängt. Da die einzelnen Signale schmalbandig ausgebildet sind, bleibt der Störpegel der Signale gering, wodurch eine gewisse Störsicherheit gegeben ist.In contrast, DE 33 47 181 A1 uses a modulation method network-based signal transmission and a related Circuit arrangement, in which each signal to be transmitted into several simultaneously transmitted, narrow-band partial signals is divided into their frequencies are different from each other. Every receiver accepts a signal if he receives a predetermined number of these partial signals at the same time. Since the individual signals are narrowband, the interference level of the signals remains low, which gives a certain level of interference immunity.

Presentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Signalübertragungssystem zur Übertragung sicherheitsrelevanter Signale störsicher gegen auftretende Fehler zu machen. Insbesondere sollen die beim Stand der Technik auftretenden Schwächen vollständig vermieden werden. Fehlerszenarien, wie "babbling idiot", fehlerhafte Clock- Synchronisationen oder auch einfaches Nicht-Weiterleiten von Datenpaketen durch die Übertragungsleitung sollen vollständig ausgeschlossen werden können. Die zu treffenden Maßnahmen sollen überdies einfach und kostengünstig realisierbar sein und spätere, weitere Systemerweiterungen ermöglichen. Der für die empfangsseitige Signalaufbereitung erforderliche Aufwand soll möglichst gering gehalten werden und eine Echtzeitsignalverarbeitung gewährleisten.The invention has for its object to provide a signal transmission system Transmission of safety-relevant signals against interference occurring errors do. In particular, the weaknesses occurring in the prior art are said to be be completely avoided. Error scenarios, such as "babbling idiot", faulty clock Synchronizations or simply not forwarding of data packets through the transmission line should be completely excluded. The too appropriate measures should also be simple and inexpensive to implement and allow later, further system expansions. The one for the receiving end Signal processing effort required should be kept as low as possible and ensure real-time signal processing.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 11 ist eine Vorrichtung zur Signalübertragung gemäß des Verfahrens nach Anspruch 1. Vorteilhafte Merkmale, die den Erfindungsgedanken weiterbilden, sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung zu entnehmen.The object of the invention is achieved in claim 1 specified. The subject of claim 11 is a device for Signal transmission according to the method of claim 1. Advantageous features, that further develop the inventive concept are the subject of the dependent claims as well as the description.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee beruht auf dem Vorsehen von Sendeeinheiten, die Signale über eine gemeinsame Übertragungsleitung absenden, wobei die aus den unterschiedlichen Sendeeinheiten abgesandten Signale auf jeweils unterschiedlichen Sende- bzw. Trägerfrequenzen übermittelt werden. Jede Sendeeinheit vermag eine oder mehrere Sendefrequenzen zu generieren, auf die die zu übertragenden Signale amplituden- und/oder phasenmoduliert übertragen werden. Wesentlich ist die senderspezifische Frequenzwahl der einzelnen Sende- bzw. Trägerfrequenzen. The idea on which the invention is based is based on the provision of Transmitting units that send signals over a common transmission line the signals sent from the different transmitter units different transmission or carrier frequencies are transmitted. each Transmitter unit can generate one or more transmission frequencies to which the signals to be transmitted are amplitude and / or phase modulated become. What is essential is the transmitter-specific frequency selection of the individual transmitters or carrier frequencies.

Durch die Frequenzdiversifizierung kann vollständig ausgeschlossen werden, dass sich die an der Übertragungsleitung angeschlossenen Sende- und Empfangseinheiten gegenseitig blockieren, wodurch jede Sendeeinheit ihre Signale ohne Wartezeit direkt ins Übertragungsnetz absetzen kann. Da bei der Signalausbreitung zwischen unterschiedlichen Signalen entlang der gemeinsamen Übertragungsleitung keine gegenseitige Beeinflussung besteht, ergibt sich der Wegfall einer separaten Überwachungssystematik, die die Übertragungsleitung vor unkontrollierte Sendeaktivitäten schützt, die durch Vorliegen eines Defektes an den jeweiligen Netzteilnehmern auftreten können. Das vorstehend beschriebene Fehlerszenario "babbling idiot" spielt in der erfindungsgemäßen Übertragungsweise keine Rolle. Ebenso ist durch den Wegfall einer Konkurrenzsituation zwischen der Vielzahl sich entlang der gemeinsamen Übertragungsleitung ausbreitender Signale eine Arbitration, wie es beispielsweise beim vorstehend genannten CAN-System erforderlich ist, nicht nötig, da, wie eingangs erwähnt, keine Rechte zum Senden an die jeweiligen Sendeeinheiten vergeben werden müssen.Frequency diversification can completely rule out that the transmit and connected to the transmission line Receiver units block each other, causing each transmitter unit to transmit its signals can drop directly into the transmission network without waiting. Since at the Signal propagation between different signals along the common one Transmission line there is no mutual interference, the result is Elimination of a separate monitoring system that precedes the transmission line protects uncontrolled transmission activities caused by a defect in the respective network participants can occur. The one described above Error scenario "babbling idiot" plays in the transmission mode according to the invention not matter. Likewise, by eliminating a competitive situation between the Large number of signals propagating along the common transmission line arbitration, as is the case, for example, with the CAN system mentioned above is necessary, not necessary since, as mentioned at the beginning, no rights to send to the respective transmission units must be assigned.

Durch die Diversifizierung der senderspezifischen Sendefrequenzen benötigt das erfindungsgemäße Übertragungsverfahren einen wesentlich geringeren, administrativen Aufwand, um einen fehlertoleranten Betrieb sicher zu stellen. Auch ist eine leichte Erweiterbarkeit des Übertragungssystems gegeben, da eine Neukonfigurierung eines bereits konzipierten Übertragungssytems nicht mehr nötig ist. Im Unterschied zu zeitlich geregelten Zugriffsverfahren, wie es beispielsweise bei dem TTP-System der Fall ist, können im erfindungsgemäßen Übertragungssystem beliebig viele, weitere Sende- und Empfangseinheiten in das Übertragungssystem integriert werden; es ist lediglich darauf zu achten, dass die Sendeeinheiten neue, nicht bereits an bereits im Übertragungssystem integrierte Sendeeinheiten vergebene Trägerfrequenzen zu erzeugen in der Lage sind. Eine Erweiterung im Falle des TTP-Systems ist lediglich durch vorheriges Vorsehen von Leerplätzen möglich; jedoch sinkt bei Vorsehen einer großen Anzahl an Leerplätzen die Leistungsfähigkeit des Übertragungssystems, da Leerplätze Zeitfenster blockieren, die bei der Signalübertragung ungenutzt bleiben. Due to the diversification of the transmitter-specific transmission frequencies, this is required transmission method according to the invention has a substantially lower administrative effort to ensure fault-tolerant operation. Also there is an easy expandability of the transmission system, since a Reconfiguration of an already designed transmission system is no longer necessary is. In contrast to time-controlled access procedures, such as in the TTP system is the case in the transmission system according to the invention any number of additional transmitting and receiving units in the transmission system to get integrated; it is only necessary to ensure that the transmitter units have new, not already on transmitter units already integrated in the transmission system are able to generate assigned carrier frequencies. An extension in The case of the TTP system is only by providing empty spaces beforehand possible; however, if a large number of empty spaces are provided, the Performance of the transmission system, since empty spaces block time windows, that remain unused during signal transmission.

Empfangsseitig sieht das erfindungsgemäße Verfahren wenigstens eine Empfangseinheit vor, die die übertragenen Signale spektral analysiert und unter Zugrundelegung eines für die Empfangseinheit typischen Entscheidungskriteriums auswertet. Das empfangsspezifische Entscheidungskriterium ist vorzugsweise die Trägerfrequenz einer bestimmten Sendeeinheit, die mit der jeweiligen Empfangseinheit in Kommunikation treten soll.At the receiving end, the method according to the invention sees at least one Receiving unit, which analyzes the transmitted signals spectrally and below On the basis of a decision criterion typical of the receiving unit evaluates. The reception-specific decision criterion is preferably that Carrier frequency of a particular transmission unit that with the respective Receiver unit should come into communication.

Um am vorstehend geschilderten Fall der nachträglichen Erweiterung des Übertragungssystems anzuknüpfen, ist es neben dem Vorsehen wenigstens einer neuen Sendeeinheit mit entsprechend senderspezifischen Trägerfrequenz nötig, die mit der Sendeeinheit anzusprechende Empfangseinheit derart zu konfigurieren, dass eine Signaldetektion bei der entsprechenden Empfangseinheit durch Selektion nach entsprechender Trägerfrequenz möglich ist.In the case of the subsequent expansion of the To connect the transmission system, it is at least one in addition to the provision new transmitter unit with a corresponding transmitter-specific carrier frequency is necessary to configure the receiving unit to be addressed with the transmitting unit in such a way that a signal detection at the corresponding receiving unit by selection appropriate carrier frequency is possible.

Zur Selektion und Detektion der jeweiligen Trägerfrequenz aus dem Frequenzmix innerhalb der Übertragungsleitung dienen Techniken der Spektralanalyse, mit den die zu untersuchenden Signale innerhalb diskreter Zeitfenster untersucht werden.For the selection and detection of the respective carrier frequency from the frequency mix techniques within the transmission line are used for spectral analysis, with the the signals to be examined are examined within discrete time windows.

Die gewünschte Resistenz der erfindungsgemäßen Signalübertragung gegenüber den meisten, bekannten Fehlerszenarien beruht auf der Tatsache, dass jede einzelne Sendeeinheit mit wenigstens einer eigenen Sendefrequenz arbeitet, die beispielsweise als Hardwarebauelement in Form eines Schwingquarzes vorgegeben ist. Neben der Übertragung elektrischer, digitaler Signale ist grundsätzlich die Übertragung optischer Signale auf entsprechendem Wege möglich. Zur Signalübertragung wird die von einer Sendeeinheit abgestrahlte Sendefrequenz amplituden- und/oder phasenmoduliert, so dass, wie vorstehend bereits erwähnt, eine gegenseitige Beeinflussung während der Signalübertragung zeitgleich abgesandter Signale von unterschiedlichen Sendeeinheiten ausgeschlossen werden kann. Durch die Möglichkeit der parallelen Übertragung mehrerer Signale auf verschiedenen Frequenzen kann einerseits die Übertragungsrate durch die Übertragungsleitung gesteigert werden; andererseits ist es möglich, eine Signalredundanz zu schaffen, wodurch die Übertragungssicherheit erhöht werden kann. Gerade bei besonders hochsensiblen Informationen macht eine redundante, parallele Übertragung einer einzigen Information auf zwei oder mehreren verschiedenen Sendefrequenzen, die von ein und der selben Sendeeinheit generiert und abgesandt werden, großen Sinn, zumal die Wahrscheinlichkeit, dass die Information erneut angefordert wird, drastisch sinkt.The desired resistance of the signal transmission according to the invention to Most known error scenarios are based on the fact that each one Transmitter unit works with at least one own transmission frequency predefined, for example, as a hardware component in the form of a quartz crystal is. In addition to the transmission of electrical, digital signals, the Optical signals can be transmitted in the appropriate way. to Signal transmission becomes the transmission frequency emitted by a transmission unit amplitude and / or phase modulated, so that, as already mentioned above, a mutual influence during the signal transmission at the same time sent signals from different transmitter units can be excluded can. Due to the possibility of parallel transmission of several signals different frequencies can on the one hand the transmission rate through the Transmission line can be increased; on the other hand it is possible to get a To create signal redundancy, which increases transmission security can. Especially with particularly highly sensitive information, a redundant, parallel transmission of a single piece of information to two or more different transmission frequencies generated by one and the same transmission unit and sent out, big sense, especially since the likelihood that the Information is requested again, drops dramatically.

Empfangsseitig ist darauf zu achten, dass von Seiten der Empfangseinheiten keine Störsignale in die Übertragungsleitung eingespeist werden können. Um derartige negative Stör- bzw. Streueffekte vollends auszuschließen, bietet sich beispielsweise die Verwendung eines Optokopplers an, der zwischen der Übertragungsleitung und der Empfangseinheit zwischengeschaltet wird.On the receiving side, it must be ensured that none on the part of the receiving units Interference signals can be fed into the transmission line. To such It is a good idea to completely rule out negative interference or scatter effects the use of an optocoupler between the transmission line and the receiving unit is interposed.

Wie bereits erwähnt, ist es Aufgabe der Empfangseinheit, aus dem Frequenzmix innerhalb der Übertragungsleitung die für die Empfangseinheit bestimmten Signale zu selektieren. Die Selektion bzw. Aufbereitung der Signale erfolgt mit den Mitteln der Spektralanalyse unter Zugrundelegung definierter Zeitfenster, in denen die Signale ausgewertet werden. Zur Signalauswertung dient grundsätzlich das klassische Frequenzanalyseverfahren, nämlich die Fourier-Transformation. Um eine möglichst schnelle Signalanalyse und -auswertung durchzuführen, wird eine modifizierte Variante der Fourier-Transformation, nämlich die optimierte Short-Time- Fourier-Transformation (STFT) angewandt. Alternativ zur STFT können auch optimierte Analysefilterbanken oder Wavelettransformationen, die mathematischen Funktionen entsprechen, die sich innerhalb begrenzter Zeitspannen ändern, angewendet werden. Eine weitere Möglichkeit der Signalanalyse stellen sogenannte modellbasierte Verfahren zur Spektralanalyse dar, wie beispielsweise die Prony- Methode, Covariance-Methode, Principal-Component-Autoregressive-Methode (PCAR) oder die Matrix-Pencil-Methode. Liegen darüber hinaus Kenntnisse über die Randbedingungen vor, denen die Signale innerhalb der Übertragungsleitung unterliegen, so ermöglicht der Einsatz vorstehender Spektralanalysevarianten eine deutliche Verbesserung der Signalauswertungsqualität und zugleich eine Reduzierung der für die Auswertung benötigten Rechenzeit. Dies vor allem ist von großem Vorteil im Hinblick auf die Echtzeitverarbeitung der einzelnen, im Frequenzmix in der Übertragungsleitung vorliegenden Signale.As already mentioned, it is the task of the receiving unit, from the frequency mix the signals intended for the receiving unit within the transmission line to select. The signals are selected or processed using the means the spectral analysis based on defined time windows in which the Signals are evaluated. This basically serves for signal evaluation classic frequency analysis method, namely the Fourier transformation. To one Carrying out the fastest possible signal analysis and evaluation is a modified variant of the Fourier transformation, namely the optimized short-time Fourier transform (STFT) applied. As an alternative to the STFT you can also optimized analysis filter banks or wavelet transformations, the mathematical Correspond to functions that change within limited periods of time, be applied. Another possibility of signal analysis are so-called model-based methods for spectral analysis, such as the Prony Method, covariance method, principal component autoregressive method (PCAR) or the matrix pencil method. In addition, knowledge about the Boundary conditions before which the signals within the transmission line are subject to the use of the above spectral analysis variants significant improvement in the signal evaluation quality and at the same time a Reduction of the computing time required for the evaluation. This is mostly from great advantage in terms of real-time processing of the individual, in Frequency mix signals present in the transmission line.

Die vorstehend genannte STFT (Short-Time-Fourier-Transformation) beschreibt ein Signalverarbeitungsverfahren, mit dem es möglich ist, nicht-stationäre Signale derart zu analysieren, indem diese in kurze Zeitabschnitte aufgeteilt werden, innerhalb derer die Teilsignale als stationär angesehen werden können. Somit ist es möglich, zu jedem Teilabschnitt gesondert das zugehörige Signalspektrum zu berechnen. Man erhält so eine Folge von Einzelspektren, die der Dynamik des Gesamtsignals Rechnung trägt.The above-mentioned STFT (Short Time Fourier Transform) describes a Signal processing method with which it is possible to generate non-stationary signals in this way to analyze by dividing them into short periods within whose partial signals can be regarded as stationary. So it is possible to calculate the associated signal spectrum for each section separately. A sequence of individual spectra is obtained, which shows the dynamics of the overall signal Takes into account.

Eine weitere Möglichkeit, ein Signal in seine spektralen Bestandteile zu zerlegen, ist die Verwendung einer Analyse-Filterbank, die sich durch eine Parallelanordnung geeignet gewählter Tief-, Band- und Hochpässe zusammensetzt, die sowohl als analoge oder als digitale Filter ausgebildet und in einer baum- oder pyramidenförmigen Anordnung vorgesehen werden können. Der Einsatz von Analyse-Filterdatenbanken eignet sich insbesondere für Empfangseinheiten, die ihre Informationen von nur wenigen ausgewählten Sendeeinheiten beziehen.Another way to break down a signal into its spectral components is the use of an analysis filter bank, which is characterized by a parallel arrangement suitably chosen low, band and high passes, which both as analog or digital filters and in a tree or pyramid-shaped arrangement can be provided. The use of Analysis filter databases are particularly suitable for receiving units that have their Obtain information from only a few selected transmission units.

Schließlich ist der Einsatz von Wavelettransformationen in Fällen gegenüber der STFT vorzusehen, in denen es gilt, Signale mit quasistationären, niederfrequenten Komponenten und zeitlich scharf lokalisierten Transienten abzubilden. Hierzu wird eine Familie von Basisfunktionen verwendet, die aus einem Prototyp durch Translation auf der Zeitachse zu dem Zeitpunkt t und Skalierung durch den Faktor a ≠ 0 hervorgeht. Hierbei ist es gerade die Skalierung, die den entscheidenden Unterschied zur STFT macht. Ähnlich wie die STFT liefert auch die Wavelettransformation eine Bildfunktion, die von zwei Variablen abhängig ist. Eine dieser Variablen beschreibt die Position des Wavelets auf der Zeitachse und entspricht folglich der Zeitfensterpostion bei der STFT. Die zweite Variable hingegen betrifft den dimensionslosen Steuerparameter a, kurz Scale genannt, der zwar mit der Frequenz verwandt, aber mit dieser nicht gleichzusetzen ist. Finally, the use of wavelet transformations in cases is opposite to that STFT must be provided, in which it is important to signals with quasi-stationary, low-frequency Map components and transients that are precisely localized in time. To do this a family of basic functions used by prototyping through Translation on the time axis at time t and scaling by the factor a ≠ 0 emerges. It is precisely the scaling that is decisive Makes a difference to STFT. Similar to the STFT, the Wavelet transformation is an image function that depends on two variables. A This variable describes the position of the wavelet on the time axis and therefore corresponds to the time slot position at the STFT. The second variable, however relates to the dimensionless control parameter a, called scale for short, which indeed with related to the frequency, but is not to be equated with this.

Alternativ zu den vorstehend genannten Spektralanalyseverfahrensvarianten ermöglichen auch modellbasierte Spektralanalysen eine hochqualitative und schnelle Signalauswertung aus dem in der Übertragungsleitung vorherrschenden Frequenzmix. Die Leistungsfähigkeit derartiger Analyseverfahren kann überdies mit Kenntnis über die Schwingungsformen sowie mit Kenntnis über die Randbedingungen des Übertragungssystems erheblich gesteigert werden. So erlaubt beispielsweise die Covariance-Methode, als ein typischer Vertreter modellbasierter Spektralanalysen, den Fehler zwischen Vorwärts-Vorhersage und wirklichem Signalwert im Sinne der quadratischen Fehlernorm zu minimieren, was in direkter Linie zu einem einfachen, linearen Gleichungssystem führt, das mit Standardmethoden gelöst werden kann. Dieses Verfahren ist einfach physikalisch zu realisieren und arbeitet überdies schnell.As an alternative to the spectral analysis method variants mentioned above also enable model-based spectral analyzes to be carried out quickly and with high quality Signal evaluation from that prevailing in the transmission line Frequenzmix. The performance of such analysis methods can also with Knowledge of the forms of vibration and knowledge of the Boundary conditions of the transmission system can be increased significantly. So allowed for example the covariance method, as a typical representative of model-based Spectral analysis, the error between forward prediction and real Minimize signal value in the sense of the quadratic error norm, which in more direct Line leads to a simple, linear system of equations that with Standard methods can be solved. This procedure is simply physically too realize and also works quickly.

Eine weitere Möglichkeit betrifft die Principal-Component-Auto-Regressive-Methode (PCAR), die eine auf kovarianten Matrizen basierende Variante darstellt, bei der im Unterschied zur vorstehend genannten Covariance-Methode neben der Vorwärts- Vorhersage auch eine rückwärtsgerichtete Vorhersage hinzukommt. Da bei dieser Methode mehr Datenwerte verarbeitet werden können, kann ein potentieller Fehler besser herausgemittelt werden.Another possibility concerns the principal component auto-regressive method (PCAR), which is a variant based on covariant matrices, in which Difference to the above covariance method in addition to the forward Prediction also adds a backward-looking prediction. Because with this Method more data values can be processed can be a potential error be better averaged out.

Die sogenannte Prony-Methode, die erstaunlicherweise seit über 200 Jahren bekannt ist, beruht auf der Grundüberlegung, dass das zu untersuchende Signal aus Summen von einigen wenigen, gedämpften Sinusschwingungen aufgefasst wird. Mit Hilfe sehr eleganter, mathematischer Überlegungen ist es möglich, das eigentlich hochgradig nichtlineare Optimierungsproblem in eine einfach zu lösende Version überzuführen. Schließlich stellt die Matrixpencil-Methode eine verfeinerte Version der Prony-Methode dar, die schneller und außerdem robuster gegenüber zufälligen Störungen ist, jedoch einen größeren Aufwand an Mathematik erfordert.The so-called Prony method, which has been amazing for over 200 years is known, is based on the fundamental consideration that the signal to be examined is made up of Sum of a few, damped sine waves is understood. With With the help of very elegant, mathematical considerations, it is actually possible highly nonlinear optimization problem in an easy to solve version convert. Finally, the Matrixpencil method provides a more refined version of the Prony method, which is faster and more robust against accidental Disorders is, however, requires a greater amount of math.

Alle vorstehenden, zur modellbasierten Spektralanalyse genannten Auswerteverfahren lassen sich im Übrigen aus den nachstehend genannten Quellen näher nachlesen: Rüdiger Hoffmann, "Signalanalyse und Erkennung", Springer- Verlag, 1998; Shie Qian, "Frequenzanalyse, basierend auf Modellen", Elektronik 4/2000.All of the above mentioned for model-based spectral analysis Evaluation methods can also be found in the sources listed below read more: Rüdiger Hoffmann, "Signal Analysis and Detection", Springer- Verlag, 1998; Shie Qian, "Frequency analysis based on models", electronics 4/2000.

Die Durchführung des vorstehend erläuterten, erfindungsgemäßen Verfahrens zur Signalübertragung sicherheitsrelevanter Signale über eine gemeinsame Übertragungsleitung, die als Ring- oder Busnetzwerk ausgebildet sein kann, ist die Verschaltung wenigstens zweier Sendeeinheiten innerhalb eines lokalen Netzwerkes, das entweder elektrische oder optische Verbindungsleitungen aufweist, mit wenigstens einer Empfangseinheit erforderlich. Hierbei weisen die Sendeeinheiten wenigstens einen Frequenzgenerator zur Erzeugung senderspezifischer Trägerfrequenzen auf. Überdies sind die Sendeeinheiten mit einem Phasen- und/oder Amplitudenmodulator ausgestattet, der zur Informationsübertragung die Trägerfrequenz entsprechend moduliert. Zur selektiven Signalauswertung ist an jeder Empfangseinheit ein Spektralanalysator vorgesehen, der in Abhängigkeit der jeweiligen Trägerfrequenzen die für die entsprechende Empfangseinheit bestimmten Signale selektiert und auswertet.The implementation of the above-described method for Signal transmission of safety-relevant signals via a common Transmission line, which can be designed as a ring or bus network, is the Interconnection of at least two transmitter units within a local one Network, which has either electrical or optical connecting lines, with at least one receiving unit required. Here, the Transmitting units at least one frequency generator for generation transmitter-specific carrier frequencies. The transmitter units are also included a phase and / or amplitude modulator equipped for Information transmission modulates the carrier frequency accordingly. For selective A spectral analyzer is provided on each receiving unit for signal evaluation, which depending on the respective carrier frequencies that for the corresponding Receiving unit selected signals and evaluated.

Das vorstehend charakterisierte Übertragungssystem ist zur Übertragung sicherheitskritischer Informationen ausgebildet und verfügt über eine hohe funktionale Sicherheit. Das bedeutet, dass zufällige Hardwarefehler oder Softwarefehler nicht zu einem Komplett-Ausfall des Übertragungsnetzwerkes führen. Durch die vorstehend erläuterte Konzeption des Übertragungssystem ist darüber hinaus sichergestellt, dass nicht alle Informationen durch auftretende Fehlfunktionen, beispielsweise eines Netzwerkteilnehmers, blockiert werden. Eben jene Problematik ist von hoher Bedeutung bei der Einführung von x-by-wire-Systemen, insbesondere in der Automobilindustrie, die als ein prädestiniertes Anwendungsgebiet vorstehender Technik anzusehen ist. Der Einsatz beschränkt sich jedoch nicht nur auf die Automobilindustrie, sondern ist überall dort denkbar, wo eine Übertragung sicherheitsrelevanter Daten nicht nur durch redundante Ausführung des Übertragungssystems erreicht werden soll. Aus Gewichts- und Kostengründen bietet sich deshalb speziell der Einsatz in mobilen Systemen an; aber auch eine Verwendung z. B. in der Produktionstechnik ist nicht abwegig. Grundsätzlich gilt die Maxime, dass, je höher die Anforderungen an die Übertragungssicherheit sicherheitsrelevanter Informationen sind, entweder durch die Brisanz der Signale oder durch die Umgebungsbedingungen beispielsweise in Form von Störfaktoren, um so geeigneter ist das vorstehend beschriebene Multifrequenzsystem.The transmission system characterized above is for transmission trained safety-critical information and has a high functional safety. That means random hardware failure or Software errors do not lead to a complete failure of the transmission network. Due to the above-described conception of the transmission system, this is beyond also ensures that not all information is caused by malfunctions, for example of a network participant. That very problem is of great importance in the introduction of x-by-wire systems, in particular in the automotive industry as a predestined application above technology is to be seen. The use is not only limited to the automotive industry, but is conceivable wherever there is a transmission security-relevant data not only through redundant execution of the Transmission system is to be achieved. Offers for weight and cost reasons therefore especially the use in mobile systems; but also one Use e.g. B. in production technology is not absurd. Basically, the Maxim that the higher the requirements for transmission security safety-relevant information, either due to the explosive nature of the signals or due to the environmental conditions, for example in the form of disruptive factors, the multi-frequency system described above is all the more suitable.

Der Einsatz geeigneter Filter, die zwischen der Übertragungsleitung und den jeweiligen Empfangseinheiten vorzusehen sind, kann die zu verarbeitende Datenmenge drastisch reduzieren, sofern bekannt ist, von welcher Empfangseinheit Signale empfangen werden sollen. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung entsprechender schmalbandiger Frequenzbandfilter realisiert werden.The use of suitable filters between the transmission line and the the respective receiving units can be provided, the one to be processed Reduce the amount of data drastically, if it is known from which receiver unit Signals are to be received. This can be done, for example, by using it corresponding narrow-band frequency band filter can be realized.

Ein Clock-Synchronisierungsimpuls kann ebenso von jeder Sendeeinheit dem abgesandten Signal überlagert werden, so dass die Empfangseinheit als Entscheidungskriterium das Clock-Synchronisierungssignal verwenden kann.A clock synchronization pulse can also be from any transmitter unit sent signal are superimposed, so that the receiving unit as Decision criterion that the clock synchronization signal can use.

Schließlich lassen sich auch bei dem vorstehend beschriebenen System übliche Fehlererkennungs- und Korrekturverfahren für die Signalübertragung problemlos anwenden. Sollte beispielsweise die Checksumme nicht korrekt sein, so fordert die Empfangseinheit das Signal erneut an, sofern das Signal nicht auf einer optional zweiten Frequenz korrekt empfangen werden konnte.Finally, conventional systems can also be used in the system described above Error detection and correction procedures for signal transmission without problems apply. If, for example, the checksum is not correct, the Receiving unit the signal again, unless the signal is on an optional second frequency could be received correctly.

In der einzigen Figur ist eine Schemazeichnung dargestellt, die zwei Sendeeinheiten S und drei Empfangseinheiten E zeigt, die über eine gemeinsame Übertragungsleitung L miteinander verknüpft sind. Die Sendeeinheiten S senden Signale mit jeweils unterschiedlichen Trägerfrequenzen in die Übertragungsleitung L ab, in der ein Frequenzmix F vorliegt und der von den einzelnen Empfängern E jeweils empfangen und je nach spektralem Entscheidungskriterium auch ausgewertet wird.In the single figure, a schematic drawing is shown, the two transmitter units S and three receiving units E shows that over a common Transmission line L are linked together. The sending units S send Signals with different carrier frequencies in the transmission line L from, in which there is a frequency mix F and which is provided by the individual receivers E received and evaluated depending on the spectral decision criterion becomes.

Claims

1. A method for signal transmission between at least two transmitter units to at least one receiver unit via a transmission line common between the at least two transmitter units and the at least one receiver unit, characterized in that
that the signals are modulated with one or more transmission frequencies that differ from one another in terms of the transmitter and are transmitted to the at least one receiving unit via the common transmission line,
that the transmitted signals are spectrally analyzed by the at least one receiving unit and evaluated on the basis of a decision criterion.

2. The method according to claim 1, characterized in that the transmitter units and the at least one Receiver unit with a ring or bus network Transmission line are connected.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in
that the signals are digital signals to which a transmission frequency or a plurality of different transmission frequencies are assigned as discrete, transmitter-specific carrier frequencies, and
that the signals are phase and / or amplitude modulated.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the transmitted signals at the at least one Receiving unit is spectrally analyzed within discrete time windows.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the spectral analysis using Fourier transform for fast periods (STFT), analysis filter banks and / or Wavelet transformation is performed.

6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the spectral analysis using model-based Spectral analysis method is carried out.

7. The method according to claim 6, characterized in that the model-based spectral analysis method Covariance method, the Proni method or the PCAR method (Principal Component Auto Regressive) can be used.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the receiving unit below the transmitted signals Evaluates the carrier frequency as a decision criterion.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the evaluation of the signals by Checksum formation or by comparison of redundant signals on different transmission frequencies are transmitted, is carried out.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the signals to be transmitted are safety-relevant, are digital data signals.

11. Device for signal transmission between at least two transmitter units to at least one receiver unit via a transmission line common between the at least two transmitter units and the at least one receiver unit, characterized in that
that the transmitter units have at least one frequency generator for generating at least one transmitter-specific carrier frequency,
that the transmitter units have a phase and / or amplitude modulator for signal modulation of the carrier frequency,
that the transmission line is an electrical or optical, cable-based bus system and
that the at least one receiving unit has a spectral analyzer.

12. The device according to claim 11, characterized in that the transmission units, the at least one The receiving unit and the transmission line form a local area network (LAN) and configured as a ring or bus network.

13. The apparatus of claim 11 or 12, characterized in that the frequency generator is a quartz crystal.

14. Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that between the receiving unit and the Transmission line an optical or electrical protection unit is provided, the an electrical and / or optical signal reaction on the transmission line suppressed.

15. Use of the method according to any one of claims 1 to 10 or Device according to one of claims 11 to 13 for transmission safety-critical information within an x-by-wire system.

16. Use according to claim 15 for signal transmission in mobile Means of transport, such as motor vehicles, ships or airplanes.