CN1860491A - 用于获得参数的系统,站点,装置和方法 - Google Patents

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Abstract

在具有站点(101)和无源装置(102)的询问系统(100)中，站点(101)通过传输一个电磁脉冲(105)向无源装置(102)询问一个参数(103)。无源装置(102)具有一个空腔(109)，其影响无源装置(102)对电磁脉冲(105)的超宽频反射波。无源装置(102)的参数(103)影响空腔(109)的物理特性(110)。站点(101)接收并分析该反射波来获得参数(103)。

Description

用于获得参数的系统，站点，装置和方法
技术领域
本发明涉及一种询问系统，其包括站点用于通过询问无源装置来获得无源装置的参数。
本发明还涉及用于这种询问系统中的站点和装置。
本发明还涉及一种获得无源装置的参数的方法。
背景技术
这种询问系统可从1996年秋季贝尔实验室技术期刊中第210页中标记为“Panel 2.First use of modulated backscatter”的文献中得知，该章节是1996年秋季贝尔实验室技术期刊中第203-215页的题为“A Low-Cost Radio for an E1ectronic Price LabelSystem”的文章的一部分。
该部分描述了一种用于窃听美国驻莫斯科大使馆的无线系统。在这个系统中，站点发送一个具有330MHz频率的无线电波到无源装置，该无源装置具有在该频率产生共振的空腔谐振器。装置的声学振膜产生一个调制的反向散射信号，其携带有大使的声音。
现有的询问系统的缺点是其对于其它具有相同频率的无线电频率源的干扰非常敏感。
发明内容
本发明的目的是提供一种在开篇中所描述的系统，其对于其它无线电频率源的干扰不那么敏感。
这个目的如下来实现，一个站点包括：用于传输电磁脉冲的传输装置；用于接收来自无源装置的电磁脉冲的调制超宽频反射波的接收装置；用于解调反射波并获得参数的解调装置，该解调装置连接到接收装置，并由此将无源装置配置为传输调制超宽频反射波到站点，无源装置包括一个空腔用于根据参数来调制反射波，该空腔具有物理特性，该物理特性取决于参数。
由于电磁脉冲的调制超宽频反射波在很多频率上传播其能量，该系统对于来自其它无线电频率源的干扰比较不那么敏感。另一个优点是无源装置可较小，尤其是当使用较高的频率时。还有一个优点是该系统可包括若干个无源装置被同时询问，而不需要定向天线来发射电磁脉冲。
传输的脉冲具有超宽频的无线电频率，但是其也可以是一个光束。该脉冲典型的持续时间是在毫微秒的等级，获得具有上限和下限的频率范围内的频谱能量密度。下限在GHz到THz的范围，上限在几十GHz到几百THz。
空腔实际上具有规则物体的形状，例如，球体、半球体、圆柱体或多面体。空腔可以是开放或封闭的。空腔的物理特性可以是它的一个或多个尺寸(dimensions)，但也可以是其它特性，例如填充在空腔中或围绕在空腔周围的介质的特性，例如表面传导率或磁感系数。空腔具有至少一个共振频率是根据该特性调制的。空腔可以是Fabry-Perot空腔，这对本领域技术人员来说是熟知的。
解调装置处理所接收的调制反射波。解调装置可以基于具有分支的关联结构，其中每个分支具有一个振荡器、一个混频器和一个相关器。每个分支都致力于处理空腔共振频率周围的频率范围。一个基带处理器可处理来自分支的输出信号来获得参数。
应当注意的是，这篇文章还公开了一种代替零售商的纸价签的系统。该系统具有若干个电子价格标签，以及一个站点来提供具有价格信息的价格标签。价格标签具有一个显示器用来显示所提供的价格信息，以及电池用来向其电子线路和显示器提供能量。该系统解决的问题是，可无线地将价格信息分配到价格标签。该系统包括有源的、电池供电的价格标签，其具有较高的复杂性和较高的成本。
有利的，无源装置具有一个身份，无源装置被进一步配置为根据该身份来调制反射波，解调装置被进一步配置为从反射波获得该身份。该系统可包括若干个装置，其中站点可无线地识别每个装置，因为装置通过调制反射波来展示其身份。装置的身份可以是，例如它的引起一个或多个特定频谱成分被反射的一个或多个尺寸。装置的尺寸赋予其超宽带的指纹。当装置具有足够复杂的形状时，该装置可作为一个具有独特身份的密钥。形状可包括曲径、蜂巢、格子、螺旋、迷阵、迷宫或通信结构，或者是其中若干个的组合。
有利的，空腔具有物理轮廓尺寸，参数由至少两个物理轮廓尺寸的比例确定。这可降低询问机对来自环境的干扰的灵敏度。一个例子是装置的尺寸通常会随温度改变。通过将参数确定为空腔的两个适当的物理轮廓尺寸的比例，温度的影响会减小。这也可用于身份，可改善对装置的识别。
有利的，解调装置包括频谱成分分析装置，用于获得反射波的频谱成分，该频谱成分分析装置连接到接收装置。频谱成分分析装置包括一个相关器和一个积分器。这提供了比较简单的解调装置。
有利的，频谱成分分析装置包括：
-A/D转换器，用于将所接收的反射波转换成数字信号，该A/D转换器连接到接收装置，以及
-傅立叶变换器，用于对数字信号执行傅立叶变换。
这可优化解调装置，因为其允许处理器在很多分支上操作，减少了每个分支都要具备完整解调器的需要。另一个优点是简化了对分支信号的集合的处理。
有利的，解调装置包括空腔的复制品。这种方法可提供比较简单的解调器。复制品不由参数调制。反射波被导入复制品。基于所询问的参数，复制品将响应于反射波的激励而产生共振。检测一个共振腔是比较简单的。解调装置还可包括其它复制品，每个都具有另一个其它的参数，并且由空腔的固定偏差来调制。
有利的，电磁脉冲包括一个光束，以及无源装置包括一个非线性光学单元，用于将光束转换成超宽频反射波。光束可以以较小的衰减在站点和装置之间的介质中传播。因此，较多的能量可到达装置。非线性光学单元将能量转换成超宽频反射波。光束在其中具有较小衰减的介质的一个例子是人体。光束可从激光器发出。激光器可提供波长在700到1500毫微米范围内的近于微微秒的红外脉冲。无源装置可以像光电导THz天线那样工作，其由半绝缘材料比如GaAs制成，被层叠为非对称的金属层-绝缘层-金属层二极管。由于非对称性，当光学红外脉冲打击在其上时，其释放内在的电势。近于微微秒的电子脉冲由空腔结构过滤。非线性光学单元可包括LiTaO3，在其中光学整流产生一个脉冲THz束。这是已知的切伦科夫整流。或者，无源装置可包括在一端具有内在表面电场的Si。由于Fran-Keldysh效应，光学整流接近于表面产生。又或者，无源装置可包括pn连接、光子学能带间隙结构(photonic band gap structure)或者光子学晶体。
附图说明
该询问系统的以上和其它方面将参考附图进行进一步的阐明和描述。
图1是根据本发明的询问系统的方框图。
具体实施方式
在图1中，示意性地表示了包括站点101和无源装置102的询问系统100。无源装置102具有参数103。参数103可以是例如，位置、方向、角度、温度、气压、液压、液流、声压、压力、加速度、重力、湿度和光强度。站点101和无源装置102都可以是便携的、移动的或固定的。站点101可向无源装置102询问参数103。该询问是由站点101传输电磁脉冲105而发出。电磁脉冲105可具有宽的频谱，但或者也可具有比较窄的频谱。站点101包括传输装置104来传输电磁脉冲105。电磁脉冲105通过介质传播到无源装置102。站点101包括接收装置106用于从无源装置102接收电磁脉冲105的调制超宽频反射波107。这将在以下详细描述。站点101包括解调装置108用于解调反射波并获得参数103。解调装置108可基于已知的解调原理并且连接到接收装置106。
超宽带可被定义为具有频谱能量密度的信号的特性。频谱能量密度在中心频率具有最大值。频谱能量密度在大于中心频率的上限频率和小于峰值频率的下限频率都减小为最大值的一部分。
在对超宽带定义的一个例子中，如果上限频率和下限频率之间的差值超过了某一个频率界限，则信号具有该特性。在一种典型的定义中，该部分等于-10dB，以及该频率界限等于0.5GHz。
在对超宽带定义的一个例子中，如果上限频率和下限频率之间的差值被中心频率划分超过了一个比例，则信号具有该特性。在一种典型的定义中，该部分等于-10dB，以及该比例等于0.25。
电磁脉冲105落在具有空腔109的无源装置102上。空腔109具有物理特性110，其取决于参数103。物理特性可以是空腔的一个或多个轮廓尺寸、电场、磁通量、磁感系数、电介质常数、极化或者原子晶格。无源装置102反射电磁脉冲105的一部分能量。反射波取决于无源装置102和空腔109的形状、几何结构和材料。因为空腔109对于参数103的依赖，反射波也取决于参数103。换句话说，空腔109根据参数103来调制反射波。另外，反射波也可取决于其它的因素。无源装置102将调制超宽带反射波107反射到站点101。
球体的无源装置102可减小对进入的电磁脉冲105的角度依赖。标志性的是Mie散射，具有电介质的球体。这对本领域技术人员来说是熟知的。或者无源装置102可以是电介质的杆、金属壳、由半球体空腔支持的隙缝天线或者反射悬臂的阵列。对于在THz范围内具有频谱成分的电磁脉冲105，无源装置102可小于毫米。无源装置102可通过MEMS技术的方式制造。
询问可无线和遥控地发生，因为站点101和无源装置102只需要由适于电磁脉冲105和调制超宽带反射波107传播的介质连接。由于装置是无源的，其也是比较便宜的。
具有空腔谐振器结构的无源装置102在一个单独的物理元件上提供天线和传感的功能。目的是简化无源装置102的结构，来使其适用于低成本和低功率。在一个拥挤的网络环境中，表现单一共振特性的无源装置在没有大规模的多存取通信(MAC)协议的情况下是不能被唯一地寻址的。具有单一共振的无源装置将需要大规模的具有其它元件的电子设备，这会提高成本和功率消耗。因此，可应用具有不同共振或许多共振的无源空腔结构，每个装置具有独特的频谱特征。这些特征仍然包括在一个单独元件的无源装置中。为了有效并同时对这些装置寻址，站点101可用超宽带电磁脉冲105来探测无源装置102。无源装置102通过从频谱上使用码分多址(CDMA)的原理，使用它们独特的共振特征进行通信。因为超宽带脉冲具有宽频会聚，所以无源装置102的所有CDMA元件都能同时被探测到。
因为无源空腔109的主要共振是被来自环境的所感应的参数103干扰，所以来自装置102的反射信号107中关于时间的调制部分将感应的信息携带回站点101以及携带回主网络来协助提供环境情报的功能。站点101可连接到传统网络，比如以太网或WiFi，其提供装置用于对数据和信号进行处理和通信。
一个例子是空腔109的边界根据参数改变其位置，从而在空腔的几何结构上产生改变。
无源装置102可具有身份111。无源装置102还可配置为根据身份111来调制反射波。这可为站点101有效地提供无源装置102的标记。该系统可包括至少一个具有其它身份111和其它参数103的其它无源装置102。站点101可实际上同时询问无源装置102和至少一个其它无源装置102。站点101可用一个单独的电磁脉冲105向两个装置询问它们各自的参数103。解调装置108可进一步配置为从反射波获得身份111。
一个单独的询问系统100可包括比较大量的无源装置。由于无源装置比较便宜，则甚至当系统包括例如数千个无源装置时，询问系统100还是比较便宜。站点101和每个无源装置之间的无线连接避免了有线连接的花费。这在无源装置关于站点101在移动时也是有利的。
空腔109可具有物理轮廓尺寸112。参数103可由至少两个物理轮廓尺寸112的比例所确定。除了参数103，身份111也能由至少两个物理轮廓尺寸112的比例来确定。使用比例可减少询问系统100对伪效应的灵敏度。
解调装置108可包括频谱成分分析装置113用于获得反射波的频谱成分。频谱成分分析装置113连接到接收装置106。
频谱成分分析装置113可包括一个A/D转换器115和一个傅立叶变换器117。A/D转换器115将所接收的反射波转换成数字信号。A/D转换器115连接到接收装置106。傅立叶变换器117对数字信号执行傅立叶变换。
解调装置108可包括空腔109的复制品118。复制品可提供比较简单的解调装置108。复制品118还可增加解调装置108检测参数103的变化的灵敏度。
电磁脉冲105可包括一个光束119。无源装置102可包括一个非线性光学单元120，用于将光束119转换成超宽带反射波。
询问系统100还可包括用于其它已知调制技术的装置。
应当注意的是上述实施例是示意性的，并不限制本发明，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求范围的情况下可设计出很多等同实施例。在权利要求中，任何括号中的附图标记不能解释为对权利要求的限制。词语“包括”的使用以及其结合并不排除权利要求中所述的之外的元件或步骤的存在。元件前的词语“一个”的使用并不排除存在若干个这样的元件。本发明可通过包括多个不同元件的硬件的方式、也可通过适当程序化的计算机的方式来实现。在装置权利要求中列举了多个装置，这些装置中的多个可由同一个硬件来实施。某些方法在相互不同的从属权利要求中被引用的事实并不意味着这些方法不能被优化地结合使用。

Claims (10)

1.一种询问系统(100)包括：
-一个站点(101)，用于通过询问无源装置(102)获得无源装置(102)的参数(103)，该站点(101)包括：
-发送装置(104)，用于发送电磁脉冲(105)；
-接收装置(106)，用于接收来自无源装置(102)的电磁脉冲(105)的调制超宽带反射(107)；
-解调装置(108)，用于解调反射并获得参数(103)，该解调装置(108)耦合到接收装置(106)，并且
-无源装置(102)用于将调制超宽带反射(107)发送到站点(101)，无源装置(102)包括一个空腔(109)，用于根据参数(103)调制反射波(107)，该空腔(109)具有物理特性(110)，该物理特性(110)取决于参数(103)。
2.如权利要求1所述的询问系统(100)，其特征在于该无源装置(102)具有一个身份(111)，该无源装置(102)被进一步配置为，根据身份(111)来调制反射，解调装置(108)被进一步配置为从反射获得身份(111)。
3.如权利要求1所述的询问系统(100)，其特征在于空腔(109)具有物理尺寸(112)，参数是由至少两个物理尺寸(112)的比例确定的。
4.如权利要求1所述的询问系统(100)，其特征在于解调装置(108)包括频谱成分分析装置(113)，用于获得反射波(107)的频谱成分，该频谱成分分析装置(113)耦合到接收装置(106)。
5.如权利要求4所述的询问系统(100)，其特征在于频谱成分分析装置(113)包括：
-A/D转换器(115)，用于将所接收的反射波转换成数字信号，该A/D转换器(115)耦合到接收装置(106)，以及
-傅立叶变换器(117，)用于对数字信号执行傅立叶变换。
6.如权利要求1所述的询问系统(100)，其特征在于，解调装置(108)包括空腔(109)的一个复制品(118)。
7.如权利要求1所述的询问系统(100)，其特征在于电磁脉冲(105)包括一个光束(119)，以及无源装置(102)包括一个非线性光学单元(120)，用于将光束(119)转换成超宽带反射波(107)。
8.一种可用于权利要求1-7所述的询问系统(100)中的站点(101)。
9.一种可用于权利要求1-7所述的询问系统(100)中的无源装置(102)。
10.一种通过询问无源装置(102)而获得具有物理特性(110)的空腔(109)的无源装置(102)的参数(103)的方法，该方法包括下列步骤：
-发送一个电磁脉冲(105)到无源装置(102)；
接收电磁脉冲(105)的调制超宽带反射波(107)，其是根据由参数(103)所影响的物理特性(110)被空腔(109)调制的；
解调所接收的调制超宽带反射波(107)；并且
-获得参数(103)。
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