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DE102013203134B4 - Communication device and method for exchanging data - Google Patents

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DE102013203134B4
DE102013203134B4 DE102013203134.3A DE102013203134A DE102013203134B4 DE 102013203134 B4 DE102013203134 B4 DE 102013203134B4 DE 102013203134 A DE102013203134 A DE 102013203134A DE 102013203134 B4 DE102013203134 B4 DE 102013203134B4
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optical
receiving device
transmission
transmitting
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Joachim Horwath
Thomas Strang
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
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Abstract

Kommunikationsvorrichtung zum Austausch von Daten zwischen Wagen eines Schienenfahrzeugverbundes, mit:
einer optischen Sendevorrichtung (16a), die an einem ersten Wagen (12) des Schienenfahrzeugverbundes anbringbar ist,
einer optischen Empfangsvorrichtung (18a), die an einen zweiten Wagen (14) des Schienenfahrzeugverbundes anbringbar ist,
wobei die optische Empfangsvorrichtung (18a) in Richtung der optischen Sendevorrichtung (16a) gerichtet ist, sodass eine Sichtverbindung zwischen der optischen Sendevorrichtung (16a) und der Empfangsvorrichtung (18a) besteht,
wobei die Datenübertragung in Form einer optischen Freiraumübertragung erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und zweite Linse (20a, 20b) jeweils auf der von den Wagen (12, 14) abgewandten Seite eines Gelenks (19a, 19b) angeordnet sind und über ein in seiner Länge veränderbares Rohr (22a, 22b) mechanisch miteinander verbunden sind, wobei die Linsen (20a, 20b) um die Gelenke (19a, 19b) verschwenkbar sind und durch das Rohr (22a, 2b) automatisch zu einander ausgerichtet werden.
Communication device for exchanging data between wagons of a rail vehicle network, comprising:
an optical transmission device (16a) which can be attached to a first carriage (12) of the rail vehicle composite,
an optical receiving device (18a), which is attachable to a second carriage (14) of the rail vehicle network,
wherein the optical receiving device (18a) is directed towards the optical transmitting device (16a) so that there is a line of sight between the optical transmitting device (16a) and the receiving device (18a),
wherein the data transmission takes place in the form of a free-space optical transmission,
characterized in that a first and second lens (20a, 20b) each on the side facing away from the carriage (12, 14) side of a hinge (19a, 19b) and mechanically over a variable in its length pipe (22a, 22b) are interconnected, wherein the lenses (20a, 20b) about the joints (19a, 19b) are pivotable and are automatically aligned by the tube (22a, 2b) to each other.

Figure DE102013203134B4_0001
Figure DE102013203134B4_0001

Description

Es besteht die Notwendigkeit zwischen einzelnen Wagen eines Schienenfahrzeugverbundes Daten auszutauschen. Hierbei kann es sich um Steuerdaten (d. h. sicherheitsrelevante Informationen), oder aber um sogenannte Komfortdaten handeln. Die genannten Daten können verschiedene Formate aufweisen und verlangen entsprechend bei einer kabelgebundenen Übertragung teilweise spezielle Steckverbindungen. So ist es notwendig zwischen zwei Wagen eines Schienenfahrzeugverbundes eine Vielzahl von meist proprietären Steckverbindungen mit unterschiedlichen Spannungsniveaus und diversen Datenprotokollen vorzusehen.There is a need to exchange data between individual wagons of a rail vehicle network. This may be control data (ie safety-relevant information) or else so-called comfort data. The data mentioned can have different formats and, accordingly, sometimes require special plug-in connections for a wired transmission. Thus, it is necessary to provide a large number of mostly proprietary plug connections with different voltage levels and various data protocols between two carriages of a rail vehicle network.

Weiterhin können zukünftig Szenarien existieren, in denen zumindest phasenweise einzelne Wagen eines stationären oder sich bewegenden Schienenfahrzeugverbundes nicht miteinander physisch gekoppelt sind. So können beispielsweise einzelne Wagen eines Zugverbundes in einem bestimmten Abstand hintereinander fahren, sofern sie einzeln angetrieben sind (z. B. FlexCargoRail-Fahrzeuge). Auch zwischen solchen Wagen eines Schienenfahrzeugverbundes müssen Daten ausgetauscht werden. Dies ist in den genannten Szenarien über eine kontaktbehaftete Verbindung, d. h. kabelgebunden, nicht möglich.Furthermore, future scenarios may exist in which at least in phases individual wagons of a stationary or moving rail vehicle network are not physically coupled to each other. For example, individual wagons of a train group can travel at a certain distance one behind the other, as long as they are individually driven (eg FlexCargoRail vehicles). Even between such cars of a rail vehicle network data must be exchanged. This is in the mentioned scenarios via a contact connection, i. H. wired, not possible.

Es existieren verschiedene funkbasierte Verfahren für eine Kommunikation zwischen Wagen eines Fahrzeugverbundes. Sie basieren unter anderem auf IEEE 802.11 (WiFi), UltraWideBand (UWB) oder anderen proprietären funkbasierten Kommunikationverfahren.There are various radio-based methods for communication between cars of a vehicle network. They are based, among other things, on IEEE 802.11 (WiFi), UltraWideBand (UWB) or other proprietary wireless communication methods.

Die genannten funkbasierten Verfahren haben verschiedene Nachteile: Je nach Einsatzort sind nur sehr begrenzte Frequenzbänder mit teilweise sehr geringen Bandbreiten verfügbar. Darüber hinaus sind sie teilweise sehr störanfällig. Mögliche verfügbare Frequenzbänder sind nicht für sicherheitskritische Anwendungen geschützt. Die erzielbaren Datenraten sind ferner unter Umständen nicht ausreichend, insbesondere wenn man die ständig wachsenden Forderungen für die Übertragung von hochratigen Komfortdaten berücksichtigt. Zudem müssen die Datenformate bzw. Protokolle der Daten auf das Funksystem angepasst werden.The aforementioned radio-based methods have various disadvantages: Depending on the location of use, only very limited frequency bands are available, sometimes with very narrow bandwidths. In addition, they are sometimes very prone to failure. Possible available frequency bands are not protected for safety-critical applications. The achievable data rates may also be insufficient, especially considering the ever-increasing demands for the transmission of high-rate comfort data. In addition, the data formats or protocols of the data must be adapted to the radio system.

Weiterhin sind bekannte Funkverfahren datentechnisch schwer abzusichern, da durch die häufigen Änderungen in der Zusammenstellung der einzelnen Wagen zu Schienenfahrzeugverbänden der Verwaltungsaufwand (z. B. der Schlüsselaustausch) verhältnismäßig aufwändig ist.Furthermore, known radio methods are difficult to secure in terms of data technology because the frequent changes in the composition of the individual wagons to rail vehicle associations make the administrative outlay (for example the key exchange) relatively expensive.

DE 10 2010 036 521 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten zwischen zwei Schienenfahrzeugen, wobei die Datenübertragung mittels optischen Richtfunks erfolgt. DE 10 2010 036 521 A1 describes a device for transmitting data between two rail vehicles, wherein the data transmission takes place by means of optical radio communication.

WO 03/098845 A2 beschreibt eine Vorrichtung zum Übertragen von Daten nach dem Infrarotprinzip. WO 03/098845 A2 describes a device for transmitting data on the infrared principle.

JP 2000-194459 A beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung zum optischen Übertragen von Daten. JP 2000-194459 A also describes an apparatus for optically transmitting data.

Aufgabe der Erfindung ist es eine flexible und zuverlässige Vorrichtung zum Austausch von Daten zwischen Wagen eines Schienenfahrzeugverbundes sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, wobei eine hohe Datenübertragungsrate erzielbar ist.The object of the invention is to provide a flexible and reliable device for exchanging data between cars of a rail vehicle network and a corresponding method, wherein a high data transmission rate can be achieved.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 9.The object is achieved according to the invention by the subject matter of claims 1 and 9.

Die erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung zum Austauschen von Daten zwischen Wagen eines Schienenfahrzeugverbundes umfasst eine optische Sendevorrichtung, die an einem ersten Wagen des Schienenfahrzeugverbundes anbringbar ist, sowie eine optische Empfangsvorrichtung, die an einem zweiten Wagen des Schienenfahrzeugverbundes anbringbar ist. Die optische Empfangsvorrichtung ist in Richtung der optischen Sendevorrichtung gerichtet, sodass eine Sichtverbindung zwischen der optischen Sendevorrichtung und der optischen Empfangsvorrichtung besteht. Erfindungsgemäß erfolgt die Datenübertragung in Form einer optischen Freiraumübertragung.The communication device according to the invention for exchanging data between cars of a rail vehicle network comprises an optical transmission device, which can be attached to a first car of the rail vehicle network, and an optical receiving device that can be attached to a second car of the rail vehicle network. The optical receiving device is directed towards the optical transmitting device so that there is a line of sight between the optical transmitting device and the optical receiving device. According to the invention, the data transmission takes place in the form of an optical free space transmission.

Dies bedeutet, dass zwischen den einzelnen Wagen des Schienenfahrzeugverbundes keine Datenleitungen und insbesondere keine Lichtwellenleiter notwendig sind.This means that between the individual cars of the rolling stock network no data lines and in particular no optical fibers are necessary.

Bevorzugt weist jeder Wagen an seinen beiden Enden eine Sende- und Empfangsvorrichtung auf, die mit einer optischen Sende- und Empfangsvorrichtung eines zweiten Wagens kommunizieren kann. Hierbei handelt es sich somit um ein bidirektionales System, durch das ein Datenaustausch in beide Richtungen möglich ist.Preferably, each car at its two ends to a transmitting and receiving device which can communicate with an optical transmitting and receiving device of a second car. This is therefore a bidirectional system that allows data exchange in both directions.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt eine sehr hohe Datenrate von mehr als 1 Gbit/s zur Verfügung, sodass eine Vielzahl von verschiedenen Datenformaten gleichzeitig übertragen werden kann. Durch die hohe zur Verfügung stehende Datenrate kann die Notwendigkeit entfallen alle bisherigen Kommunikationsstandards auf eine gemeinsame Funkschnittstelle zu adaptieren. Dies ist bisher bei den zur Verfügung stehenden Bandbreiten bei Funksystemen nicht realisierbar. Weitere Details zu diesem Merkmal werden in der vorliegenden Anmeldung in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben.The inventive device provides a very high data rate of more than 1 Gbit / s, so that a plurality of different data formats can be transmitted simultaneously. The high available data rate eliminates the need to adapt all previous communication standards to a common radio interface. So far, this has not been possible with the available bandwidths in radio systems. Further details of this feature are described in the present application in connection with the method according to the invention.

Weitere Vorteile der Erfindung liegen in der konfliktfreien Nutzung einer Datenübertragung durch Lichtsignale (Reuse-Faktor = 1), da die optische Freiraumübertragung keine Interferenzen erzeugt oder anfällig für solche ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die inhärente datentechnische Sicherung, dadurch dass jeder Mithörer unmittelbar erkannt würde. Further advantages of the invention lie in the conflict-free use of a data transmission by light signals (reuse factor = 1), since the optical free space transmission generates no interference or is prone to such. Another significant advantage is the inherent data security assurance, in that each listener would be recognized immediately.

Zwischen der optischen Sendevorrichtung und der optischen Empfangsvorrichtung kommt bevorzugt je eine Optik zum Aufweiten (Sender) und Bündeln (Empfänger) der Lichtsignale zum Einsatz. Hierbei können die Linsen einen Durchmesser von mindestens 2 cm aufweisen. Durch die Verwendung von Linsen mit den genannten Abmessungen ist es möglich, lokale Verschmutzungen auf den Linsen, die beispielsweise durch Schneefall, Regen usw. verursacht werden können, zu kompensieren. Je größer der Aperturdurchmesser gewählt wird, desto toleranter reagiert das System auf Störpartikel auf der Apertur. Wenn das System mechanisch gegen Störpartikel geschützt ist, kann die Apertur kleiner gewählt werden. Bei einem bidirektionalen System ist es bevorzugt, dass die Sende- und Empfangsapertur dieselben Abmessungen aufweisen. Bei einem unidirektionalen System kann es sinnvoll sein, zum Überbrücken größerer Entfernungen die Empfangslinse größer zu gestalten als die Sendelinse.Between the optical transmitting device and the optical receiving device is preferably ever optics for expanding (transmitter) and bundling (receiver) of the light signals are used. In this case, the lenses may have a diameter of at least 2 cm. By using lenses of the dimensions mentioned above, it is possible to compensate for local soiling on the lenses, which may be caused by snowfall, rain, etc. The larger the aperture diameter is chosen, the more tolerant the system is to the interference particles on the aperture. If the system is mechanically protected against interfering particles, the aperture can be made smaller. In a bidirectional system, it is preferred that the transmit and receive apertures have the same dimensions. In a unidirectional system, it may be useful to make the receiving lens larger than the transmitting lens for bridging larger distances.

Störfaktoren wie Schnellfall, Regen, Nebel usw. können ferner dadurch kompensiert werden, dass ein stärkeres Lichtsignal ausgesendet wird. Datentechnische Sicherungsprotokolle kommen ebenfalls zum Einsatz.Disturbing factors such as rapid fall, rain, fog, etc. can also be compensated by sending out a stronger light signal. Data protection protocols are also used.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die optische Sendevorrichtung eine Laserlichtquelle und die optische Empfangsvorrichtung eine Photodiode mit nachgeschaltener Elektronik (Receiver Frontend).In a preferred embodiment, the optical transmitting device is a laser light source and the optical receiving device is a photodiode with downstream electronics (receiver front end).

Es ist weiterhin möglich eine Reinigungsvorrichtung zum Reinigen der beiden Linsen vorzusehen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Scheibenwischer handeln.It is also possible to provide a cleaning device for cleaning the two lenses. This may be, for example, a windshield wiper.

Weiterhin ist es möglich eine Abschirmvorrichtung zum Abschirmen der Übertragungsstrecke zwischen der optischen Sendevorrichtung und der optischen Empfangsvorrichtung vor äußeren Einflüssen, insbesondere vor Witterungseinflüssen, vorzusehen. Diese Abschirmvorrichtung kann gleichzeitig ein Sichtschutz für außenstehende Personen sein. Dies ist bei der Verwendung einer Laserlichtquelle sinnvoll. Es ist möglich, dass die Abschirmvorrichtung lediglich die beiden Linsen und nur einen Teil der Übertragungsstrecke abschirmt.Furthermore, it is possible to provide a shielding device for shielding the transmission path between the optical transmission device and the optical reception device from external influences, in particular from the effects of weathering. This shielding device can simultaneously be a privacy screen for outside people. This is useful when using a laser light source. It is possible that the shielding device only shields the two lenses and only part of the transmission path.

Weiterhin ist es möglich im Bereich der Linsen und/oder der Abschirmvorrichtung eine Heizvorrichtung, beispielsweise eine Heizspirale vorzusehen, um die Linsen vor Witterungseinflüssen, insbesondere vor Vereisen, zu schützen.Furthermore, it is possible in the area of the lenses and / or the shielding device to provide a heating device, for example a heating spiral, in order to protect the lenses from weather influences, in particular from icing.

Weiterhin ist es möglich, die erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung in Verbindung mit einem Funksystem als zweikanaliges System zu verwenden. Hierdurch kann eine redundante Datenübertragung für sicherheitskritische Anwendungen erreicht werden.Furthermore, it is possible to use the communication device according to the invention in connection with a radio system as a two-channel system. As a result, a redundant data transmission for safety-critical applications can be achieved.

Weiterhin ist es möglich, bestimmte Regelungssysteme, z. B. eine Druckluftbremse durch die erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung zu steuern (”drive by optics”). In diesem Fall könnte die Druckluftbremse durch Signale gesteuert werden, die durch die erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung übermittelt werden, wobei hier entsprechend eine zuverlässige Übertragung dieser Signale sichergestellt werden müsste.Furthermore, it is possible to use certain control systems, eg. B. to control an air brake by the communication device according to the invention ("drive by optics"). In this case, the air brake could be controlled by signals that are transmitted by the communication device according to the invention, in which case a reliable transmission of these signals would have to be ensured accordingly.

In einer Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung eine Schwenkvorrichtung zum Verschwenken des von der Sendevorrichtung erzeugten Lichtstrahls in Abhängigkeit von einem Winkelversatz zwischen der optischen Sendevorrichtung und der optischen Empfangsvorrichtung. Die Schwenkvorrichtung kann ein verschwenkbarer Spiegel sein, durch den ein Umlenken des Lichtstrahls der Sendevorrichtung erfolgt. Alternativ kann ein Gelenk vorgesehen sein, um das die Sendevorrichtung selbst verschwenkbar ist, sodass die Richtung, in die der Lichtstrahl ausgesendet wird, veränderbar ist.In one embodiment, the communication device according to the invention comprises a pivoting device for pivoting the light beam generated by the transmitting device in dependence on an angular offset between the optical transmitting device and the optical receiving device. The pivoting device may be a pivotable mirror, by which a deflection of the light beam of the transmitting device takes place. Alternatively, a joint may be provided around which the transmitting device itself is pivotable so that the direction in which the light beam is emitted is variable.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine erste und zweite Linse jeweils auf der von den Wagen des Schienenfahrzeugverbunds abgewandten Seite eines Gelenks angeordnet sind und dass die Linsen verschwenkbar sind. Die Linsen sind über ein in seiner Länge veränderbares Rohr miteinander verbunden. Durch die Verschwenkbarkeit der Linsen um das Gelenk und ihre mechanische Verbindung durch das Rohr werden die Linsen automatisch zueinander ausgerichet.Furthermore, it is inventively provided that a first and second lens are each arranged on the side facing away from the car of the rail vehicle composite side of a joint and that the lenses are pivotable. The lenses are connected to each other via a variable in length tube. Due to the pivotability of the lenses around the joint and their mechanical connection through the tube, the lenses are automatically aligned with each other.

Weiterhin kann für das Ausgleichen eines Winkelversatzes zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung die Empfangsvorrichtung ein Empfängerarray und insbesondere ein Photodiodenarray sein, in dem eine Vielzahl von Empfängerelementen, insbesondere Photodioden flächig nebeneinander angeordnet sind. Dieses Empfängerarray ist in der Fokusebene der Empfangslinse angeordnet und kann beispielsweise 90 × 90 Empfängerelemente mit einem Pitch von 200 μm aufweisen. Dies wäre ausreichend, um bei einer Brennweite von 100 mm einen Winkelversatz zwischen der Sende- und Empfangsvorrichtung (und damit zwischen den beiden Wagen des Schienenfahrzeugverbundes) von 10° auszugleichen. Entsprechende Photodiodenarrays sind beispielsweise beschrieben unter http://sales.hamamatsu.com/assets/pdf/parts_G/g8909-01_kird1053e03.pdf. In gleicher Weise zum Empfängerarray kann zur gerichteteren Abstrahlung des Sensesignals und Ausrichtung des Sendestrahls auf den Empfänger ein Array von Sendelasern verwendet werden. Entsprechende Laserdiodenarrays aus vertical cavity surface emitting lasers (VECSEL) sind beispielsweise beschrieben unter
htttp://www.photonics.com/Article.aspx?AID=21251 bzw. http://www.ulm-photonics.com/new/images/publications/2010pw_120_gbps_vcsel_arrays_fabrication_and_quality_aspects.pdf
Furthermore, for compensating an angular offset between the transmitting device and the receiving device, the receiving device may be a receiver array and in particular a photodiode array, in which a multiplicity of receiver elements, in particular photodiodes, are arranged flat next to one another. This receiver array is arranged in the focal plane of the reception lens and can, for example, have 90 × 90 receiver elements with a pitch of 200 μm. This would be sufficient, at a focal length of 100 mm, an angular offset between the transmitting and receiving device (and thus between the two cars of the Rail vehicle network) of 10 °. Corresponding photodiode arrays are described, for example, at http://sales.hamamatsu.com/assets/pdf/parts_G/g8909-01_kird1053e03.pdf. In the same way to the receiver array, an array of transmit lasers may be used for more directional radiation of the sense signal and alignment of the transmit beam to the receiver. Corresponding laser diode arrays of vertical cavity surface emitting lasers (VECSEL) are described, for example, below
htttp: //www.photonics.com/Article.aspx? AID = 21251 or http://www.ulm-photonics.com/new/images/publications/2010pw_120_gbps_vcsel_arrays_fabrication_and_quality_aspects.pdf

Anstelle einer optischen Sendevorrichtung und einer optischen Empfangsvorrichtung, durch die die Datenübertragung in Form einer optischen Freiraumübertragung erfolgt, kann eine Seite der Übertragungsstrecke zwischen den Wagen anstelle einer optisch-elektrischen Wandlung mit einem aktiven Sendelaser auch durch eine optische Glasfaser (Lichtwellenleiter) ersetzt werden. In dieser Ausführungsform wird das Sende- und Empfangslicht über ein Linsensystem direkt an die Glasfaser angebunden. Das Sende- und Empfangslicht wird nach wie vor über eine optische Freiraumübertragung gemäß der bisher beschriebenen Erfindung übertragen. Jedoch kann auf diese Weise bspw. ein stromloser Wagen innerhalb eines Schienenfahrzeugverbundes überbrückt werden, indem das Signal, das am ersten Ende dieses stromlosen Wagens über eine Freiraumübertragungsstrecke ankommt, durch die Glasfaser zur nächsten Freiraumübertragungsstrecke am anderen Ende des stromlosen Wagens geleitet werden, wo es in gleicher Weise (d. h. über eine Kopplung durch ein Linsensystem) direkt von der Glasfaser an die Freiraumübertragungsstrecke angebunden wird.Instead of an optical transmitting device and an optical receiving device, through which the data transmission takes place in the form of a free-space optical transmission, one side of the transmission path between the car instead of an optical-electrical conversion with an active transmission laser can also be replaced by an optical fiber (optical fiber). In this embodiment, the transmitting and receiving light is connected via a lens system directly to the glass fiber. The transmitted and received light is still transmitted via an optical free space transmission according to the invention described so far. However, in this way, for example, a de-energized wagon within a rail network can be bridged by passing the signal arriving at the first end of this de-energized wagon over a clearance transmission path through the fiber to the nearest free space transmission at the other end of the de-energized wagon where it is in the same way (ie via a coupling through a lens system) is connected directly from the glass fiber to the free space transmission path.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Austausch von Daten zwischen Wagen eines Schienenfahrzeugverbundes, wobei Daten von einer optischen Sendevorrichtung an einem ersten Wagen des Schienenfahrzeugverbundes zu einer optischen Empfangsvorrichtung an einem zweiten Wagen des Schienenfahrzeugverbundes in Form einer optischen Freiraumübertragung übermittelt werden. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Datenübertragung die erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung verwendet.The invention further relates to a method for exchanging data between wagons of a rail vehicle network, wherein data is transmitted from an optical transmitting device on a first car of the rail vehicle network to an optical receiving device on a second car of the rail vehicle network in the form of a free-space optical transmission. In the context of the method according to the invention, the communication device according to the invention is used for data transmission.

Erfindungsgemäß erfolgt ein Verschieben der gesamten Frequenzbandbreite eines abgetasteten Datensignals in einen geeigneten Übertragungsbereich für die optische Freiraumübertragung („Hochmischen”). Anschließend erfolgt ein optisches Übertragen des frequenzverschobenen Datensignals von der optischen Sendevorrichtung zur optischen Empfangsvorrichtung. Hiernach wird das durch die Empfangsvorrichtung empfangene frequenzverschobene Datensignal auf der Empfängerseite in seinen ursprünglichen Frequenzbereich zurück verschoben („Heruntermischen”) und synthetisiert.According to the invention, the entire frequency bandwidth of a sampled data signal is shifted into a suitable transmission range for the optical free space transmission ("upmixing"). Subsequently, an optical transmission of the frequency-shifted data signal from the optical transmitting device to the optical receiving device takes place. After that, the frequency-shifted data signal received by the receiving device on the receiver side is shifted back to its original frequency range ("downmixing") and synthesized.

Für die optische Freiraumübertragung kann eine Datenübertragungsrate zwischen 1 Gbit/s bis 40 Gbit/s verwendet werden. Die genannten Raten und zugrundeliegenden Bandbreiten werden bei Systemen mit einem Kanal (d. h. einer Farbe des eingesetzten Lasers z. B. bei 193 THz) verwendet. Es ist auch möglich, mehrere Kanäle parallel zu übertragen (Wavelengh Division Multiplex – WDM). In diesem Fall ist die angegebene Datenübertragungsrate pro Kanal von z. B. 40 Gbit/s mit der Anzahl der Kanäle zu multiplizieren.For the optical free space transmission, a data transmission rate between 1 Gbit / s to 40 Gbit / s can be used. The stated rates and underlying bandwidths are used in single-channel systems (i.e., a color of the laser used, for example, at 193 THz). It is also possible to transmit several channels in parallel (Wavelengh Division Multiplex - WDM). In this case, the specified data transfer rate per channel of z. For example, multiply 40 Gbps by the number of channels.

Durch die genannten Verfahrensschritte entfällt die Notwendigkeit, die bisher genutzten Kommunikationsstandards auf eine gemeinsame Funkübertragungsschnittstelle zu adaptieren. Dies wird durch die zur Verfügung stehende sehr hohe Datenrate ermöglicht, was bei den verfügbaren Bandbreiten bei Funksystemen nicht realisierbar ist.The aforementioned method steps eliminate the need to adapt the previously used communication standards to a common radio transmission interface. This is made possible by the available very high data rate, which is not feasible with the available bandwidths in radio systems.

Liegt beispielsweise am ersten Wagen ein analoges Signal vor, kann dieses hochratig abgetastet und anschließend mit seiner gesamten Frequenzbandbreite in den Frequenzbereich verschoben werden, der für die optische Freiraumübertragung zur Verfügung steht. Auf Empfängerseite kann das Signal entsprechend zurückverschoben und synthetisiert werden.If, for example, an analog signal is present at the first carriage, it can be scanned in a high-rate manner and then shifted with its entire frequency bandwidth into the frequency range which is available for the optical free-space transmission. On the receiver side, the signal can be shifted back and synthesized accordingly.

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand von Figuren erläutert.In the following, a preferred embodiment of the invention will be explained with reference to figures.

Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung.The 1 shows a schematic view of a first embodiment of the communication device according to the invention.

Die 2 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung.The 2 shows a schematic view of a second embodiment of the communication device according to the invention.

Der erste Wagen 12 weist gemäß 1 eine optische Sendevorrichtung 16a auf, die Lichtsignale in Richtung der ersten Linse 20a aussendet. Die Lichtsignale werden in Richtung der zweiten Linse 20b übermittelt. In der Fokusebene der zweiten Linse 20b befindet sich die Empfangsvorrichtung 18a des zweiten Wagens 14.The first car 12 according to 1 an optical transmitter 16a on, the light signals in the direction of the first lens 20a sending out. The light signals are in the direction of the second lens 20b transmitted. In the focal plane of the second lens 20b is the receiving device 18a of the second car 14 ,

Der zweite Wagen 14 weist seinerseits eine Sendevorrichtung 16b auf, die dazu verwendet werden kann, Daten in Richtung des ersten Wagens 12 zu übermitteln. Diese werden dort von der zweiten Empfangsvorrichtung 18b empfangen. Die Sendevorrichtung 16a und die Empfangsvorrichtung 18b sind in der Fokusebene der ersten Linse 20a angeordnet.The second car 14 in turn has a transmitting device 16b which can be used to data in the direction of the first car 12 to convey. These are there from the second receiving device 18b receive. The sending device 16a and the receiving device 18b are in the focal plane of the first lens 20a arranged.

Um die Übertragungsstrecke zwischen den beiden Linsen 20a, 20b vor Witterungseinflüssen zu schützen, ist eine Abschirmvorrichtung 22 vorgesehen. Diese kann ein äußeres Abschirmelement 22a umfassen, das mit dem zweiten Wagen 14 verbunden ist und ferner ein zweites inneres Abschirmelement 22b, das mit dem ersten Wagen 12 verbunden ist. Das innere Abschirmelement 22b ist in das äußere Abschirmelement 22a hineingeschoben.To the transmission distance between the two lenses 20a . 20b To protect against the weather is a shielding device 22 intended. This can be an outer shielding element 22a include that with the second cart 14 is connected and further a second inner shielding 22b that with the first car 12 connected is. The inner shielding element 22b is in the outer shielding element 22a pushed.

Ferner können Heizspiralen 24a, 24b vorgesehen sein, durch die insbesondere die Linsen 20a, 20b vor Vereisung geschützt werden können.Furthermore, heating coils 24a . 24b be provided by the particular lens 20a . 20b can be protected against icing.

In einer weiteren Ausführungsform gemäß 2 kann das System mechanisch durch 2 Gelenke so gekoppelt sein, dass ein automatisches Ausrichtesystem zur Aufrechterhaltung der Ausrichtung überflüssig wird.In a further embodiment according to 2 For example, the system may be mechanically coupled by two joints so as to eliminate the need for an automatic alignment system to maintain alignment.

Der optische Teil des Sende- u. Empfangssystems befindet sich hinter einem Gelenk 19a, 19b und ist durch das mechanisch verbundene Rohr automatisch ausgerichtet. Dies kann auch zusammen mit der Abschirmvorrichtung 22 verbaut werden. Insbesondere die Längenänderung des Rohres könnte wie in der oben beschriebenen Ausführung mit den Elementen 22a und 22b durch ineinander eingeführte und somit im Verbund in einer in Länge variablen Verbindung ausgeführt sein.The optical part of the transmission u. Receiving system is located behind a joint 19a . 19b and is automatically aligned by the mechanically connected tube. This can also be done together with the shielding device 22 be installed. In particular, the change in length of the tube could, as in the embodiment described above with the elements 22a and 22b be implemented by one another and thus in the composite in a variable length connection.

Claims (9)

Kommunikationsvorrichtung zum Austausch von Daten zwischen Wagen eines Schienenfahrzeugverbundes, mit: einer optischen Sendevorrichtung (16a), die an einem ersten Wagen (12) des Schienenfahrzeugverbundes anbringbar ist, einer optischen Empfangsvorrichtung (18a), die an einen zweiten Wagen (14) des Schienenfahrzeugverbundes anbringbar ist, wobei die optische Empfangsvorrichtung (18a) in Richtung der optischen Sendevorrichtung (16a) gerichtet ist, sodass eine Sichtverbindung zwischen der optischen Sendevorrichtung (16a) und der Empfangsvorrichtung (18a) besteht, wobei die Datenübertragung in Form einer optischen Freiraumübertragung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und zweite Linse (20a, 20b) jeweils auf der von den Wagen (12, 14) abgewandten Seite eines Gelenks (19a, 19b) angeordnet sind und über ein in seiner Länge veränderbares Rohr (22a, 22b) mechanisch miteinander verbunden sind, wobei die Linsen (20a, 20b) um die Gelenke (19a, 19b) verschwenkbar sind und durch das Rohr (22a, 2b) automatisch zu einander ausgerichtet werden.A communication device for exchanging data between wagons of a rail vehicle network, comprising: an optical transmission device ( 16a ) on a first car ( 12 ) of the rail vehicle composite is attachable, an optical receiving device ( 18a ) to a second car ( 14 ) of the rail vehicle composite is attachable, wherein the optical receiving device ( 18a ) in the direction of the optical transmitting device ( 16a ) so that a line of sight between the optical transmitting device ( 16a ) and the receiving device ( 18a ), wherein the data transmission takes place in the form of a free-space optical transmission, characterized in that a first and second lens ( 20a . 20b ) on each of the cars ( 12 . 14 ) facing away from a joint ( 19a . 19b ) are arranged and over a variable in length tube ( 22a . 22b ) are mechanically connected to each other, wherein the lenses ( 20a . 20b ) around the joints ( 19a . 19b ) are pivotable and through the pipe ( 22a . 2 B ) are automatically aligned with each other. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der optischen Sendevorrichtung (16a) und der optischen Empfangsvorrichtung (18a) eine erste und zweite Linse (20a, 20b) zum Bündeln der von der optischen Sendevorrichtung (16a) ausgestrahlten Lichtsignale angeordnet sind, wobei die Linsen (20a, 20b) insbesondere einen Durchmesser von mindestens 2 cm aufweisen.Apparatus according to claim 1, characterized in that between the optical transmitting device ( 16a ) and the optical receiving device ( 18a ) a first and second lens ( 20a . 20b ) for bundling the optical transmission device ( 16a ) emitted light signals are arranged, wherein the lenses ( 20a . 20b ) in particular have a diameter of at least 2 cm. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die optische Sendevorrichtung (16a) eine Laserlichtquelle und die optische Empfangsvorrichtung (18a) eine Photodiode ist.Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the optical transmitting device ( 16a ) a laser light source and the optical receiving device ( 18a ) is a photodiode. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Reinigungsvorrichtung, insbesondere einen Scheibenwischer zum Reinigen der ersten und zweiten Linse (20a, 20b).Device according to one of claims 2 or 3, characterized by a cleaning device, in particular a windscreen wiper for cleaning the first and second lens ( 20a . 20b ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, gekennzeichnet durch eine Abschirmvorrichtung (22) zum Abschirmen der Übertragungsstrecke zwischen der optischen Sendevorrichtung (16a) und der optischen Empfangsvorrichtung (18a) vor äußeren Einflüssen, insbesondere vor Witterungseinflüssen.Device according to one of claims 1-4, characterized by a shielding device ( 22 ) for shielding the transmission path between the optical transmission device ( 16a ) and the optical receiving device ( 18a ) against external influences, especially from the weather. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, gekennzeichnet durch eine Schwenkvorrichtung zum Verschwenken des von der optischen Sendevorrichtung (16a) erzeugten Lichtstrahls, in Abhängigkeit von einem Winkelversatz zwischen der optischen Sendevorrichtung (16a) und der optischen Empfangsvorrichtung (18a), wobei die Schwenkvorrichtung ein verschwenkbarer Spiegel oder ein Gelenk ist, um das die optische Sendevorrichtung (16a) verschwenkbar ist.Device according to one of claims 1-5, characterized by a pivoting device for pivoting of the optical transmitting device ( 16a ) in response to an angular offset between the optical transmitting device ( 16a ) and the optical receiving device ( 18a ), wherein the pivoting device is a pivotable mirror or a joint around which the optical transmitting device ( 16a ) is pivotable. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6 dadurch gekennzeichnet, dass die optische Empfangsvorrichtung (18a) und/oder die Sendevorrichtung (16a) ein Sende- bzw. Empfängerarray, insbesondere ein Photodiodenarray, ist, in dem eine Vielzahl von Sende- und/oder Empfängerelementen, insbesondere Photodioden, nebeneinander auf einer Fläche um den Fokus (Fokalebene) angeordnet sind, um einen Winkelversatz zwischen der optischen Sendevorrichtung (16a) und der optischen Empfangsvorrichtung (18a) auszugleichen.Device according to one of claims 1-6, characterized in that the optical receiving device ( 18a ) and / or the transmitting device ( 16a ) is a transmitter or receiver array, in particular a photodiode array, in which a plurality of transmitting and / or receiving elements, in particular photodiodes, are arranged side by side on a surface around the focus (focal plane), by an angular offset between the optical transmitting device ( 16a ) and the optical receiving device ( 18a ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seite der optischen Freiraumübertragungsstrecke an einem ersten Ende eines Wagens anstelle einer optisch-elektrischen Wandlung durch einen Lichtwellenleiter ersetzt wird, wobei das Sende- und Empfangslicht über ein Linsensystem direkt in den Lichtwellenleiter eingebunden wird, sodass ein insbesondere stromloser Wagen eines Schienenfahrzeugverbundes überbrückbar ist indem das Signal, das am ersten Ende des Wagens durch eine Freiraumübermittlungsstrecke ankommt, durch den Lichtwellenleiter zur nächsten Freiraumübertragungsstrecke am zweiten Ende des insbesondere stromlosen Wagens geleitet wird und dort in gleicher Weise, d. h. durch eine Kopplung durch ein Linsensystem vom Lichtwellenleiter an die nächste Freiraumübertragungsstrecke, angebunden wird.Device according to one of claims 1-7, characterized in that one side of the optical free space transmission path at a first end of a carriage instead of an optical-electrical conversion is replaced by an optical waveguide, wherein the transmitting and receiving light via a lens system directly integrated into the optical waveguide so, in particular currentless car of a rolling stock network is bridged by the signal that arrives at the first end of the car through a Freiraumübertragmittlungsstrecke is passed through the optical fiber to the next free space transmission path at the second end of the particular de-energized carriage and there in the same way, ie by a coupling by a lens system of Fiber optic cable to the next free space transmission path, is connected. Verfahren zum Austausch von Daten zwischen Wagen (12, 14) eines Schienenfahrzeugverbundes, wobei das Verfahren aufweist: Übermitteln der Daten von einer optischen Sendevorrichtung (16a) an einem ersten Wagen (12) des Schienenfahrzeugverbundes zu einer optischen Empfangsvorrichtung (18a) an einem zweiten Wagen (14) des Schienenfahrzeugverbundes, in Form einer optischen Freiraumübertragung, gekennzeichnet durch die folgenden zusätzlichen Schritte: Verschieben der gesamten Frequenzbandbreite eines Datensignals in den optischen Frequenzbereich zur Freiraumübertragung (Hochmischen), optisches Übertragen des frequenzverschobenen Datensignals von der optischen Sendevorrichtung (16a) zur optischen Empfangsvorrichtung (18a) mittels der Kommunikationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, Zurückverschieben der gesamten Frequenzbandbreite des durch die optische Empfangsvorrichtung (18a) empfangenen frequenzverschobenen Datensignals auf der Empfängerseite in seinen ursprünglichen nichtverschobenen Frequenzbereich (Heruntermischen).Method for exchanging data between cars ( 12 . 14 ) of a rail vehicle network, the method comprising: transmitting the data from an optical transmission device ( 16a ) on a first car ( 12 ) of the rail vehicle network to an optical receiving device ( 18a ) on a second car ( 14 ) of the rolling stock network, in the form of a free-space optical transmission, characterized by the following additional steps: shifting the entire frequency bandwidth of a data signal into the optical frequency range for free space transmission (upmixing), optically transmitting the frequency-shifted data signal from the optical transmission apparatus ( 16a ) to the optical receiving device ( 18a ) by means of the communication device according to one of claims 1 to 8, shifting back the entire frequency bandwidth of the optical receiver ( 18a ) received frequency-shifted data signal on the receiver side in its original non-shifted frequency range (downmixing).
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