DE102004006446B4

DE102004006446B4 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur drahtlosen Datenübertragung

Info

Publication number: DE102004006446B4
Application number: DE102004006446A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. Friedrich (Fh); Martin Dipl.-Ing. Fischer (FH)
Original assignee: Atmel Automotive GmbH
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: JP2005223917A; DE102004006446A1; US20050168324A1; CN100440243C; CN1652135A; US7342481B2

Abstract

Verfahren zur drahtlosen Datenübertragung zwischen einer Basisstation und einem oder mehreren Transpondern, bei dem
– ein Trägersignal (TS) durch die Basisstation mit einem Modulationssignal (MS) moduliert und gesendet wird,
– zu sendende Zeichen durch die Basisstation mit Hilfe von aufeinanderfolgenden Abgrenzungsmarken kodiert werden, wobei die Wertigkeit eines jeweiligen Zeichens durch den zeitlichen Abstand zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Abgrenzungsmarken bestimmt wird, und
– die jeweilige Abgrenzungsmarke durch Änderung des Modulationssignals (MS) während einer Modulationsdauer erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
– das Modulationssignal (MS) während der Modulationsdauer ein Rauschsignal ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drahtlosen Datenübertragung zwischen einer Basisstation und einem oder mehreren Transpondern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Derartige Übertragungsverfahren zwischen einer oder mehreren Basisstationen bzw. Lesegeräten und einem oder mehreren Transpondern finden beispielsweise bei kontaktlosen Identifikationssystemen oder sogenannten Radio-Frequency-Identification(RFID)-Systemen Verwendung. Auf dem Transponder können auch Sensoren, beispielsweise zur Temperaturmessung, integriert sein. Derartige Transponder werden auch als Remote-Sensoren bezeichnet.
Die Transponder bzw. deren Sende- und Empfangseinrichtungen verfügen üblicherweise nicht über einen aktiven Sender für die Datenübertragung zur Basisstation. Derartige nicht aktive Systeme werden als passive Systeme bezeichnet, wenn sie keine eigene Energieversorgung aufweisen, und als semipassive Systeme bezeichnet, wenn sie eine eigene Energieversorgung aufweisen. Passive Transponder entnehmen die zu ihrer Versorgung benötigte Energie dem von der Basisstation emittierten elektromagnetischen Feld.
Zur Datenübertragung von einem Transponder zur Basisstation mit UHF oder Mikrowellen im Fernfeld der Basisstation wird in der Regel die sogenannte Backscatter- oder Rückstreukopplung eingesetzt. Hierzu werden von der Basisstation elektromagnetische Trägerwellen emittiert, die durch die Sende- und Empfangseinrichtung des Transponders entsprechend den an die Basisstation zu übertragenden Daten mit einem Modulationsverfahren moduliert und reflektiert werden. Die typischen Modulationsverfahren hierfür sind die Amplitudenmodulation, die Phasenmodulation und die Amplitude-Shift-Keying(ASK)-Unterträgermodulation, bei der die Frequenz oder die Phasenlage des Unterträgers geändert wird.
Zur Datenübertragung von der Basisstation zu einem oder mehreren Transpondern können zu übertragende Zeichen durch die Basisstation mit Hilfe von aufeinanderfolgenden Abgrenzungsmarken oder sogenannten ”Notches” kodiert werden. Die Wertigkeit eines Zeichens wird hierbei beispielsweise durch den zeitlichen Abstand bzw. die Dauer zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Abgrenzungsmarken bestimmt. Liegt die Dauer beispielsweise über einem einstellbaren Schwellwert, dann beträgt der Wert des Zeichens ”1”, andernfalls ”0”.
Zur Erzeugung der Abgrenzungsmarken sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Im Allgemeinen wird hierbei das Trägersignal durch die Basisstation mit einem Modulationssignal amplituden- und/oder phasenmoduliert. Üblicherweise wird eine Abgrenzungsmarke in einem Transponder mit Hilfe einer sogenannten Receiver-Signal-Strength-Indicator(RSSI)-Schaltung detektiert.
Ein auf Amplitudenmodulation basierendes Verfahren, bei dem das Modulationssignal während einer bestimmten Modulationsdauer das Trä gersignal vollständig unterdrückt bzw. ausblendet, ist das sogenannte On-Off-Keying (OOK). Das modulierte Signal weist jedoch bei dieser Technik ein vergleichsweise breitbandiges Spektrum auf. Bei passiven Systemen, welche die zu ihrer Versorgung benötigte Energie aus dem Trägersignal entnehmen, ist während der Modulationsdauer auch die Energiezufuhr vollständig unterdrückt, wodurch sich die erzielbare Reichweite entsprechend verringert. Eine Verringerung der Modulationsdauer, während der das Trägersignal ausgeblendet ist, ist jedoch nicht beliebig möglich, da dadurch die benötigte Bandbreite zunimmt.
Zur Vergrößerung der Übertragungsreichweite sind Verfahren bekannt, die das Trägersignal während der Modulationsdauer nicht vollständig ausblenden, d. h. die einen Modulationsindex aufweisen, der kleiner als eins ist. Dies führt jedoch zu einer Verringerung der Übertragungssicherheit, da die Abgrenzungsmarken nicht mehr so sicher wie bei einer vollständigen Ausblendung erkannt werden können.
Zur Verringerung der benötigten Bandbreite kann das Modulationssignal während der Modulationsdauer einen sinusförmigen Verlauf aufweisen, d. h. das Trägersignal wird nicht mit einer sogenannten Rechteckfunktion ausgeblendet, sondern sinusförmig aus- und anschließend wieder eingeschaltet.
Wenn zur Modulation eine Phasenmodulation verwendet wird, kann zur Erzeugung der Abgrenzungsmarken, wie in der sogenannten doppelten Seitenbandmodulation (DSBM), die Phasenlage des Trägersignals beispielsweise um 180 Grad gedreht werden. Wenn diese Phasenänderung während der Modulationsdauer nicht sprungförmig, sondern sinusförmig erfolgt, kann dadurch die Energieversorgung des Transponders verbessert werden und die benötigte Bandbreite reduziert sich. Die sich aufgrund der sinusförmigen Änderung der Phasenlage ergebenden Seitenbänder begrenzen jedoch die maximale Übertragungsrate.
Die DE 101 38 217 A1 und die DE 102 04 347 A1 zeigen jeweils Datenübertragungsverfahren, bei denen Zeichen durch eine Basisstation mithilfe von aufeinanderfolgenden Abgrenzungsmarken kodiert werden.
Die DE 40 35 398 A1 zeigt ein Verfahren zur hochfrequenten Datenübertragung von Fahrinformationen von ortsfesten Bakensendern zu Fahrzeugen, wobei ein Hochfrequenzsignal mit einem rauschähnlichen Spektrum moduliert wird, sodass sich stehende Wellen nicht ausbilden können.
Die DE 31 46 037 A1 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Modulieren von Signalen, wobei einem Nutzsignal ein Rauschsignal überlagert sein kann.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens sowie einer Schaltungsanordnung zur drahtlosen Datenübertragung der eingangs genannten Art zugrunde, mit denen vergleichsweise hohe Übertragungsraten unter verbesserter Ausnutzung der zur Verfü gung stehenden Bandbreite erzielbar sind und die eine große Übertragungsreichweite ermöglichen.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Modulationssignal während der Modulationsdauer ein Rauschsignal. Bei einer derartigen Erzeugung einer Abgrenzungsmarke entstehen Seitenbänder mit lediglich geringer Energie, die weit außerhalb des Nutzspektrums liegen und daher einfach herausgefiltert werden können. Die durch die Seitenbänder hervorgerufene Begrenzung der Übertragungsrate entfällt folglich weitgehend. Weiterhin kann die Modulationsdauer klein gewählt werden, so dass die Zeitdauern, während denen das Trägersignal ausgeblendet ist, klein gehalten werden können. Dies erhöht die erzielbare Übertragungsreichweite. Das Verfahren kann im Rahmen einer Amplitudenmodulation und/oder einer Phasenmodulation eingesetzt werden. Zur Verfahrensdurchführung eignet sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 2 ist der zeitliche Mittelwert des Rauschsignals konstant.
In einer Weiterbildung des Verfahrens weist das Modulationssignal vor der Änderung und nach der Änderung gleiche Modulationszustände auf. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise ein On-Off- Keying nachbilden, das im Vergleich zu dessen herkömmlicher Erzeugung eine geringere Nutzbandbreite aufweist.
In einer Weiterbildung des Verfahrens weist das Modulationssignal vor der Änderung und nach der Änderung unterschiedliche Modulationszustände auf. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine doppelte Seitenbandmodulation nachbilden, die keine störenden Seitenbänder aufweist.
In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 3 wird zur Erzeugung des Rauschsignals eine Zufallszahlenfolge erzeugt, die mit Hilfe einer Digital/Analog-Wandlung in das Rauschsignal umgewandelt wird. Dies ermöglicht die Erzeugung eines Rauschsignals auf einfache und kostengünstige Weise. Vorteilhaft wird gemäß Anspruch 4 die Zufallszahlenfolge mit Hilfe eines linearen rückgekoppelten Schieberegisters oder eines chaotischen Zählers erzeugt. Ein chaotischer Zähler ist ein Bauelement, das beginnend mit einem Startwert eine chaotische Wertefolge ausgibt. Ein chaotischer Zähler kann beispielsweise als sogenannter Ripple-Counter aufgebaut werden, dessen Stromverbrauch gering ist. Gemäß Anspruch 5 kann die Zufallszahlenfolge auch einmalig berechnet und in einen Speicherbereich der Basisstation abgelegt werden. Beispielsweise kann die Berechnung auf einem herkömmlichen Personal Computer erfolgen. Auf diese Weise kann auf die Erzeugung der Zufallszahlenfolge zur Laufzeit verzichtet werden, wodurch die hierfür notwendigen Schaltungsteile eingespart werden können.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7 umfasst die Modulationssignalerzeugungseinheit ein lineares rückgekoppeltes Schieberegister oder einen chaotischen Zähler zur Erzeugung einer Zufallszahlenfolge und einen Digital/Analog-Wandler zur Umwandlung der Zufallszahlenfolge in das Rauschsignal.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen schematisch:
1 ein Blockschaltbild einer in eine Basisstation integrierten Schaltungsanordnung zur drahtlosen Datenübertragung und
2 ein Diagramm eines Modulationssignals, das an einem Eingang eines Mischers von 1 anliegt.
Die in 1 gezeigte, in eine nicht weiter gezeigte Basisstation integrierte Schaltungsanordnung umfasst eine Trägersignalerzeugungseinheit TE, eine Modulationssignalerzeugungseinheit ME, einen IQ-Mischer MX und einen Leistungsverstärker LV, dessen Ausgangssignal an eine Antenne AT angelegt wird.
Die Trägersignalerzeugungseinheit TE ist auf herkömmliche Weise aufgebaut und umfasst zur Erzeugung eines hochfrequenten Trägersignals TS einen Quarzoszillator QO, eine Phase-Locked-Loop PL sowie einen spannungsgesteuerten Oszillator VO. Das Trägersignal TS wird an einen Trägersignaleingang des Mischers MX angelegt.
Die Modulationssignalerzeugungseinheit ME umfasst zur Erzeugung eines Modulationssignals MS ein lineares rückgekoppeltes Schieberegister SR mit einer Breite von 10 Bit und einen Digital/Analog-Wandler DA. Das Schieberegister SR wird mit einem Taktsignal CK, einem Startsignal ST sowie einem Rücksetzsignal RS beaufschlagt. Das Modulationssignal MS wird an den mit 1 bezeichneten Modulationseingang des Mischers MX angelegt, der mit Q bezeichnete Eingang des Mischers MX liegt auf Masse. Diese Beschaltung bewirkt eine Phasenmodulation des Trägersignals TS mit dem Modulationssignal MS.
Das Ausgangssignal des Mischers MX wird mit Hilfe des frequenzselektiven Leistungsverstärkers LV verstärkt und anschließend über die Antenne AT abgestrahlt. Der Leistungsverstärker LV weist eine Bandpass-Charakteristik auf.
Zur Datenübertragung von der Basisstation zu einem oder mehreren Transpondern werden zu übertragende Zeichen mit Hilfe von aufeinanderfolgenden Abgrenzungsmarken kodiert. Die Wertigkeit eines Zeichens wird in einer vorteilhaften Ausführungsform durch die Dauer zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Abgrenzungsmarken bestimmt. Liegt die Dauer über einem einstellbaren Schwellwert, dann ist der Wert des Zeichens gleich ”1” andernfalls ”0”.
Zur Erzeugung der Abgrenzungsmarken werden die Signale ST und RS am Schieberegister SR geeignet angesteuert, wodurch das Schieberegister SR im Takt des Taktsignals CK eine Zufallszahlenfolge, d. h. eine zeitdiskrete Folge von Digitalwerten, erzeugt, die an einem digitalen Eingang des Digital/Analog-Wandlers DA anliegt. Der Digital/Analog-Wandler DA wandelt die Zufallszahlenfolge in das Modulationssignal MS um. Das Modulationssignal MS stellt ein Rauschsignal dar, dessen Mittelwert 0 ist. Die Modulationsdauer, d. h. die Dauer, während der das Modulationssignal MS ein Rauschsignal ist, beträgt ca. 1 us. Das Modulationssignal weist vor der Änderung und nach der Änderung jeweils zeitlich konstante Modulationszustände mit gleichem Betrag jedoch unterschiedlichen Vorzeichen auf, woraus sich eine Phasendrehung des Trägersignals TS um 180° ergibt. Dies entspricht einer DSBM mit jedoch deutlich reduzierten Seitenbändern, die außerhalb des Nutzspektrums liegen.
2 zeigt ein Diagramm eines zeitlichen Ausschnitts des Modulationssignals MS. Das Modulationssignal MS entsteht durch Digital/Analog-Wandlung der durch das Schieberegister SR erzeugten Zufallszahlen folge. Die einzelnen Werte eines Ausschnitts aus der Zufallszahlenfolge sind durch Rauten im Diagramm dargestellt. Die Werte wechseln im Takt des Taktsignals CK.
Das Frequenzspektrum des Modulationssignals MS im Bereich der jeweiligen Abgrenzungsmarken ist zufällig und ergibt sich aus der Frequenz des Taktsignals CK und den Eingangswerten des Digital/Analog-Wandlers DA, d. h. den Werten der Zufallszahlenfolge. Das Spektrum des Ausgangssignals des Mischers MX besteht im Wesentlichen aus der Frequenz des Trägersignals TS und aus deren Produkt mit der Frequenz des Taktsignals CK. Liegt beispielsweise die Übertragungsfrequenz zwischen Basisstation und Transponder in einem Bereich von 10 kHz bis 100 kHz, kann die Frequenz des Taktsignals CK mit 10 MHz gewählt werden. Da die Frequenz des Taktsignals CK weit größer als die Übertragungsfrequenz ist, können die Modulationsprodukte einfach durch einen Bandpass herausgefiltert werden. Dieser kann beispielsweise vor dem Leistungsverstärker LV oder direkt vor der Antenne AT angeordnet werden.
Das gezeigte Ausführungsbeispiel basiert auf einer Phasenmodulation, bei der zur Erzeugung der Abgrenzungsmarken jeweils die Phasenlage des Trägersignals TS um 180° gedreht wird, wobei während der Modulationsdauer die Phasenlage zufällige Werte annimmt. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf phasenmodulierte Systeme beschränkt und kann beispielsweise auch für amplitudenmodulierte Systeme verwendet werden.

Claims

Verfahren zur drahtlosen Datenübertragung zwischen einer Basisstation und einem oder mehreren Transpondern, bei dem – ein Trägersignal (TS) durch die Basisstation mit einem Modulationssignal (MS) moduliert und gesendet wird, – zu sendende Zeichen durch die Basisstation mit Hilfe von aufeinanderfolgenden Abgrenzungsmarken kodiert werden, wobei die Wertigkeit eines jeweiligen Zeichens durch den zeitlichen Abstand zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Abgrenzungsmarken bestimmt wird, und – die jeweilige Abgrenzungsmarke durch Änderung des Modulationssignals (MS) während einer Modulationsdauer erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – das Modulationssignal (MS) während der Modulationsdauer ein Rauschsignal ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Mittelwert des Rauschsignals konstant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Rauschsignals eine Zufallszahlenfolge erzeugt wird, die mit Hilfe einer Digital/Analog-Wandlung in das Rauschsignal umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Zufallszahlenfolge mit Hilfe eines linearen rückgekoppelten Schieberegisters (SR) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufallszahlenfolge vorab berechnet und in einen Speicherbereich der Basisstation abgelegt wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationssignalerzeugungseinheit ein lineares rückgekoppeltes Schieberegister (SR) zur Erzeugung einer Zufallszahlenfolge und einen Digital/Analog-Wandler (DA) zur Umwandlung der Zufallszahlenfolge in das Rauschsignal umfasst.
Schaltungsanordnung zur drahtlosen Datenübertragung zwischen einer Basisstation und einem oder mehreren Transpondern zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit – einer Trägersignalerzeugungseinheit (TE) zur Erzeugung eines Trägersignals (TS), – einer Modulationssignalerzeugungseinheit (ME) zur Erzeugung eines Modulationssignals (MS) und – einer Mischereinheit (MX), die zur Modulation des Trägersignals (TS) mit dem Modulationssignal (MS) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Modulationssignalerzeugungseinheit (ME) zur Erzeugung eines Rauschsignals als Modulationssignal ausgebildet ist.