DE102004031671B4

DE102004031671B4 - Modulator-Schaltkreis, Sende-/Empfangs-Einrichtung,Lese-Vorrichtung und Verfahren zum Bilden eines modulierten Signals

Info

Publication number: DE102004031671B4
Application number: DE102004031671.6A
Authority: DE
Inventors: Christoph Braun
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: DE102004031671A1

Abstract

Modulator-Schaltkreis zum Bilden eines modulierten Signals, welcher derart eingerichtet ist, dass • ein im Zeitraum rechteckförmiges Trägersignal bereitgestellt wird; • mittels Phasenumtastung dem Trägersignal ein Datensignal aufgeprägt wird, so dass ein moduliertes Signal gebildet wird; • wobei das Aufprägen des Datensignals zwischen zwei benachbarten Flanken des rechteckförmigen Trägersignals erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Modulator-Schaltkreis, eine Sende-/Empfangs-Einrichtung, eine Lese-Vorrichtung und ein Verfahren zum Bilden eines modulierten Signals.
Eine Modulation eines Signals wird durchgeführt, um basierend auf einer Trägerwelle Informationen übertragen zu können. Wichtige Modulationsverfahren sind die Amplitudenumtastung, die Frequenzumtastung und die Phaseumtastung (”Phase Shift Keying”, PSK). Bei der Phasenumtastung werden binäre Daten in Form von Phasensprüngen eines Signals kodiert. Zum Beispiel kann in Form eines Phasensprungs von 180° eine Information von einem Bit kodiert sein.
Die binäre (180°) Phasenumtastung (BPSK, ”Binary Phase Shift Keying”) eines rechteckwellenförmigen Trägersignals kann mit rein digitaler Schaltungstechnik realisiert werden. Ein Nachteil dieses Modulationsverfahrens ist jedoch das ausgedehnte Frequenzspektrum aufgrund des rechteckwellenförmigen Trägersignals. Dieses ausgedehnte Frequenzspektrum macht es schwierig, zusätzliche hinsichtlich der Frequenz benachbarte rechteckwellenförmige Trägersignale zur Übertragung von Datensignalen zu nutzen, da eine Überlagerung der Signale im Frequenzraum zu Schwierigkeiten bei der Dekodierung der Signale führt
Gemäß dem Stand der Technik werden bei der binären Phasenumtastung (BPSK) mehrere rechteckwellenförmige Trägersignale in Verbindung mit analoger Nachfilterung benutzt. Ein analoger Filter verhindert zwar ein Überlappen der Frequenzbänder, bedeutet aber einen erheblichen Aufwand, da das Vorsehen analog-schaltungstechnischer Schaltkreiskomponenten erforderlich ist.
Gemäß einem alternativen Verfahren aus dem Stand der Technik wird der Modulationsindex des phasenmodulierten Rechteckwellensignals reduziert, so dass nur sehr schwache Harmonische des Datensignals im Frequenzspektrum auftreten. Dies führt allerdings zu einer deutlich störanfälligeren Modulation, weil dann der Geräusch-Spannungs-Abstand sehr groß sein muss, um eine eindeutige Demodulation zur Zurückgewinnung der Daten zu gewährleisten.
Ein Anwendungsgebiet von Modulationsverfahren ist die drahtlose Kommunikation unter Verwendung von sogenannten ”Radio Frequency Identification Tags” (RFID-Tags). ”Radio Frequency Identification” (RFID), Identifizierung per Funk, ist ein Verfahren, um kontaktlos Daten lesen bzw. speichern zu können. Solche Daten werden auf RFID-Tags (anschaulich elektronische Etiketten) gespeichert. Die gespeicherten Daten werden mittels elektromagnetischer Wellen gelesen, die über eine Antenne in den RFID-Tag eingekoppelt werden können bzw. von der Antenne abgestrahlt werden können.
Anwendungsgebiete von RFID-Tags sind elektronische Warensicherungssysteme zum Unterbinden von Diebstählen, Anwendungen in der Automatisierungstechnik (zum Beispiel die automatische Identifizierung von Fahrzeugen im Verkehr im Rahmen von Mautsystemen), Zugangskontrollsysteme, bargeldloses Zahlen, Skipässe, Tankkarten, Tierkennzeichnungen und Anwendungen in Leihbüchereien.
Ein RFID-Tag enthält üblicherweise eine Antenne, einen Schaltkreis zum Empfangen und Senden elektromagnetischer Wellen (Transponder) und einen Signalverarbeitungsschaltkreis.
RFID-Tags enthalten bevorzugt hochintegrierte Transponder, die ihre Versorgungsleistung aus einem hochfrequenten Trägersignal beziehen. Gewöhnlich ist auf einem RFID-Tag eine bestimmte Kennung gespeichert, die ein entsprechendes Lesegerät empfangen kann. Normalerweise sendet ein RFID-Tag seine Kennung, wenn es von einem Lesegerät mit entsprechender Hochfrequenz-Leistung (HF-Leistung) bestrahlt wird. Üblicherweise werden die Daten der Kennung mittels Lastmodulation des HF-Trägersignals zum Lesegerät übertragen, siehe zum Beispiel [1]. Lastmodulation bedeutet eine Amplitudenmodulation des HF-Trägersignals mittels einer geschalteten Last.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 1 ein Identifikations-System 100 gemäß dem Stand der Technik beschreiben.
Das Identifikations-System 100 enthält ein Lesegerät 101 und ein RFID-Tag 102.
Das Lesegerät 101 ist aus einem Steuer-Schaltkreis 103 und einer Sende-/Empfangs-Spule 104 gebildet. Die Sende-/Empfangs-Spule kann elektromagnetische Wellen an das RFID-Tag 102 übersenden und von diesem emittierte elektromagnetische Wellen detektieren. Der Steuer-Schaltkreis 103 bewerkstelligt die Steuerung der Funktionalität des Lesegerätes 102.
In den RFID-Tag 102 wird elektromagnetische Strahlungsenergie über die Sende-/Empfangs-Antenne 105 eingekoppelt. Die Sende-/Empfangs-Antenne 105 des RFID-Tags 102 ist ferner zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen eingerichtet. Das RFID-Tag 102 enthält ferner einen Lastmodulator 106 zum Generieren eines modulierten Signals. Ferner ist auf dem RFID-Tag 101 eine Spannungsbegrenzungs-Einrichtung 107 zur Begrenzung der elektrischen Spannung vorgesehen. Mittels eines Gleichrichter-Schaltkreises 108 kann eine über die Sende-/Empfangs-Antenne 105 eingekoppelte Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt werden, um eine obere Betriebsspannung VDD und eine untere Betriebspannung GND bereitzustellen. Ferner ist bei dem RFID-Tag 101 ein 1-Bit-Teiler 109 vorgesehen. Die Komponenten 106 bis 109 bilden gemeinsam einen Analog-Schaltkreis 110. Ferner ist ein Digital-Schaltkreis 111 auf dem RFID-Tag 102 gebildet.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 2A ein Diagramm 200 beschrieben, in dem ein Frequenzspektrum eines lastmodulierten Trägersignals eines RFID-Tags gemäß dem Stand der Technik abgebildet ist.
In Diagramm 200 ist entlang einer Abszisse 201 die Frequenz eines Signals in Vielfachen von 10⁵ Hz aufgetragen. Entlang einer Ordinate 202 ist die Amplitude des Signals in dB aufgetragen. Insbesondere ist in 2A ein Trägersignal 203 bei einer Frequenz von 580 kHz zu sehen, welches von einer Vielzahl von Datensignalen 204 umgeben ist.
Bei dem Frequenzspektrum aus 2A sind um das Hochfrequenz-Trägersignal 203 herum symmetrisch die Spektren der Datensignale 204 gezeigt. Das Hochfrequenz-Trägersignal 203 wird bei 580 kHz betrieben, die Datenrate liegt bei ungefähr 5 kHz.
Da sich die Spektralanteile der Datensignale 204 in unmittelbarer Nachbarschaft des HF-Trägersignals 203 befinden, muss ein Lesegerät gemäß dem Stand der Technik einen hohen Dynamikumfang besitzen, um das verglichen mit dem Trägersignal 203 um ungefähr 90 dB schwächere Datensignal 204 empfangen zu können (siehe 2A, [1]).
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 2B ein anderes Diagramm 250 beschrieben, in dem das Frequenzspektrum eines mit Datensignalen behafteten Trägersignals gemäß dem Stand der Technik gezeigt ist.
Wiederum ist in Diagramm 250 entlang einer Abszisse 251 die Frequenz in Vielfachen von 10⁵ Hz aufgetragen, entlang einer Ordinate 252 ist die Amplitude in dB aufgetragen. Die Dynamikanforderung an ein Lesegerät zum Ermitteln der in dem modulierten Signal aus 2B enthaltenen Datensignale ist gemäß Diagramm 250 aufgrund einer Modulation unter Verwendung eines Hilfsträgers (”Sub-carrier”) reduziert, da in diesem Fall die Frequenzspektren der Datensignale 204 und des Trägersignals 203 besser voneinander getrennt liegen. Die Frequenz des Sub-carrier-Signals liegt gemäß 2B bei ungefähr 60 kHz. Somit kann mit unter Verwendung einer Vorfilterung das Datensignal vom Hochfrequenzsignal getrennt werden, wodurch die Dynamikanforderung an einem Verstärker vermindert ist.
Für eine einfache und rein digitale Implementierung des Modulators mit Hilfsträger wird das Datensignal zunächst mit BPSK (”Binary Phase Shift Keying”, siehe [2]) auf ein rechteckwellenförmiges Hilfsträgersignal aufmoduliert. Das BPSK-Trägersignal zeichnet sich durch eine gute Störsicherheit gegenüber einer einfachen Amplitudenmodulation aus. Jedoch besitzt ein rechteckwellenförmiges Trägersignal ein unendlich ausgedehntes Frequenzspektrum mit nur schwachen Einbrüchen (siehe 2B), so dass keine zusätzlichen Hilfsträgersignale ohne massive gegenseitige Beeinflussung simultan verwendet werden können (zum Beispiel von verschiedenen RFID-Tags, die mit einem gemeinsamen Lesegerät betrieben werden sollen).
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit vertretbarem Aufwand eine Übertragung auch von mehreren Datensignalen mit mehreren rechteckwellenförmigen Trägersignalen zu ermöglichen.

[3] offenbart eine Modulationsvorrichtung wobei ein rechteckförmiges Trägersignal bereitgestellt wird und mittels einer Phasenumtastung an einer Flanke dem Trägersignal ein Datensignal aufgeprägt wird.
[4] offenbart synchrone tetradische Zähldekaden, wobei das Schalten jeweils an Flanken des rechteckförmigen Taktsignals stattfindet.
[5] offenbart Verfahren zum Umwandeln binär kodierter Signale in mehrwertige Phasenmodulationssignale.

Dieses Problem wird durch den Modulator-Schaltkreis, durch die Sende-/Empfangs-Einrichtung, durch die Lese-Vorrichtung und durch das Verfahren zum Bilden eines modulierten Signals mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Modulator-Schaltkreis zum Bilden eines modulierten Signals wird ein im Zeitraum recheckwellenförmiges Trägersignal bereitgestellt. Ferner wird mittels Phasenumtastung dem Trägersignal ein Datensignal aufgeprägt, so dass ein moduliertes Signal gebildet wird. Das Aufprägen des Datensignals erfolgt zwischen zwei benachbarten Flanken des rechteckförmigen Trägersignals.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß eine Sende-/Empfangs-Einrichtung mit einem Modulator-Schaltkreis mit den oben beschriebenen Merkmalen geschaffen. Die Sende-/Empfangs-Einrichtung weist ferner eine Sende-/Empfangs-Antenne auf, die mit dem Modulator-Schaltkreis gekoppelt ist, und die zum Empfangen des Trägersignals und zum Senden des mittels des Modulator-Schaltkreises gebildeten modulierten Signals eingerichtet ist.
Die erfindungsgemäße Lese-Vorrichtung zum Ermitteln von Datensignalen aus einem modulierten Signal einer Sende-/Empfangs-Einrichtung enthält eine Trägersignalerzeugungseinheit zum Emittieren eines im Zeitraum rechteckförmigen Trägersignals, eine Detektionseinrichtung zum Erfassen eines modulierten Signals der Sende-/Empfangs-Einrichtung und eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln eines Datensignals aus dem modulierten Signal, das mittels der Sende-/Empfangs-Einrichtung gebildet ist, indem mittels Phasenumtastung dem Trägersignal ein Datensignal aufgeprägt ist.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Bilden eines modulierten Signals geschaffen, bei dem ein im Zeitraum rechteckförmiges Trägersignal bereitgestellt wird, mittels Phasenumtastung dem Trägersignal ein Datensignal aufgeprägt wird, so dass ein moduliertes Signal gebildet wird, und das Aufprägen des Datensignals zwischen zwei benachbarten Flanken des rechteckförmigen Trägersignals durchgeführt wird.
Eine Grundidee der Erfindung ist darin zu sehen, ein im Zeitraum rechteckförmiges Trägersignal mit einem Datensignal derart zu verknüpfen, dass mittels Phasenumtastung (das heißt Kodieren eines Datensignals in Form eines Phasensprungs des Trägersignals) dem Trägersignal ein Datensignal aufgeprägt wird, wobei allerdings das Aufprägen des Datensignals zwischen zwei benachbarten Flanken (und nicht bei einer Flanke) des rechteckförmigen Trägersignals erfolgt. Gemäß dem Stand der Technik wird bei einem rechteckförmigen Trägersignal ein Phasensprung bei einem Übergang des Trägersignals zwischen einem hohen elektrischen Potential und einem niedrigeren elektrischen Potential generiert, das heißt bei einer senkrechten Kante des Trägersignals. Dies führt zu dem bezugnehmend auf 2A, 2B beschriebenen Problem mit breiten Frequenzbändern. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Phasensprung zwischen zwei Flanken durchgeführt, zum Beispiel in der Mitte zwischen zwei benachbarten Flanken, das heißt an einer Stelle des rechteckförmigen Trägersignals, an dem dieses einen horizontalen Potentialverlauf bzw. Amplitudenverlauf aufweist. Dies führt im Frequenzraum zu Frequenzlücken, die zum Einrichten zusätzlicher Trägersignale verwendet werden können, ohne dass mehrere Signale aufgrund einer unerwünschten Überlappung oder Überlagerung von Frequenzbändern nicht oder nur schwer voneinander trennbar sind.
Erfindungsgemäß ist somit durch die Phasenumtastungs-Modulation zwischen Flanken einer Trägerwelle ohne jeglichen Mehraufwand (gegenüber einer Phasenumtastungs-Modulation an einer Flanke einer Trägerwelle) ein Betrieb von nur einem Lesegerät und mehreren Sende-/Empfangs-Einrichtungen (zum Beispiel mehrere RFID-Tags) ermöglicht, deren Datensignale bei unterschiedlichen Trägerfrequenzen kodiert sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein digitales BPSK-(”Binary Phase Shift Keying”)Modulationsverfahren geschaffen, insbesondere für RFID-Transponder. Die Erfindung ermöglicht das gleichzeitige Durchführen einer PSK-Modulation (insbesondere einer BPSK-Modulation) mit mehreren rechteckförmigen Trägersignalen, weil sie die gegenseitige Beeinflussung der modulierten Träger wesentlich reduziert und so eine eindeutige Demodulation der verschiedenen Trägersignale ermöglicht.
Die Erfindung beruht anders ausgedrückt auf einer Phasenumtastung (”Phase Shift Keying”), insbesondere einer binären Phasenumtastung (BPSK, ”Binary Phase Shift Keying”) mit rechteckwellenförmigen Trägersignalen, deren Phase sich in Abhängigkeit von einem Datensignal jeweils um +180° bzw. –180° ändern kann. Die Phasenänderung der Trägersignale erfolgt erfindungsgemäß so, dass sie im Frequenzspektrum der modulierten rechteckwellenförmigen Trägersignale zum Beispiel im Abstand jeweils der vierfachen Trägerfrequenz zu einer größeren Lücke im Frequenzspektrum führt. In solchen Lücken können dann zusätzliche Trägersignale ohne maßgebliche Beeinflussung implementiert werden. Dies ermöglicht die gleichzeitige Nutzung (zum Beispiel mehrere RFID-Tag bei gleichzeitiger Aktivität) mehrerer digitaler Trägersignale (Rechtecksignale) ohne analoge Nachfilterung im Sender (RFID-Tag), so dass ein großer analoger schaltungstechnischer Aufwand eingespart ist.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung besteht somit in einem modifizierten Modulationsverfahren zur Phasenumtastung eines rechteckwellenförmigen Trägersignals, bei dem der Phasensprung (zum Beispiel +180° bzw. –180°) in Abhängigkeit eines Datensignals nicht bei einem Flankenwechsel eines Trägersignals, sondern um einen gewissen Wert verschoben erfolgt (zum Beispiel um +90° bzw. –90° versetzt, bezogen auf die Trägersignalperiode). Dieses Modulationsverfahren kann anschaulich auch als binäre Phasenmodulation mit orthogonaler Umtastung bezeichnet werden (BPSOK, ”Binary Phase Shift Orthogonal Keying”).
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Zunächst werden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Modulator-Schaltkreises beschrieben.
Der Modulator-Schaltkreis kann als monolithisch integrierter Schaltkreis vorgesehen sein. Insbesondere kann der Modulator-Schaltkreis in Silizium-Technologie realisiert sein, zum Beispiel in einem Silizium-Substrat (Silizium-Wafer, Silizium-Chip) integriert sein.
Der Modulator-Schaltkreis kann zum Aufprägen eines Datensignals in der Mitte zwischen den zwei benachbarten Flanken des rechteckförmigen Trägersignals eingerichtet sein. Bei einer solchen Ausgestaltung wird bei dem arithmetischen Mittelwert zwischen zwei aufeinanderfolgenden Flanken dem Trägersignal ein Datensignal aufgeprägt. Dadurch können besonders ausgeprägte Frequenzlücken erhalten werden, in denen zusätzliche Trägersignale vorgesehen werden können.
Der Modulator-Schaltkreis ist vorzugsweise in Digital-Schaltungstechnik realisiert, wodurch aufwendige analoge Schaltungstechnik-Komponenten eingespart werden können.
Ferner kann der Modulator-Schaltkreis derart eingerichtet sein, dass dem Trägersignal ein Datensignal mittels 2ⁿ-Phasenumtastung aufgeprägt wird, wobei n eine positive ganze Zahl ist. Für n = 1 ergibt sich somit binäre Phasenumtastung (BPSK), für n = 2 ergibt sich ein 4PSK-Modulationsverfahren, für n = 3 ergibt sich ein 8PSK-Modulationsverfahren, usw.
Das Aufprägen eines (ein Datensignal kodierenden) Phasensprungs auf ein Trägersignal erfolgt bei all diesen Verfahren zwischen zwei Flanken des Trägersignals, d. h. an solchen Stellen des Trägersignals im Zeitraum, an denen keine Amplitudenänderung des (von einem Datensignal freien) Trägersignals erfolgt.
Im Weiteren werden Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sende-/Empfangs-Einrichtung beschrieben, die einen erfindungsgemäßen Modulator-Schaltkreis aufweist. Ausgestaltungen der Sende-/Empfangs-Einrichtung gelten auch für den Modulator-Schaltkreis und umgekehrt.
Die Sende-/Empfangs-Einrichtung kann als Radio-Frequency-Identification-Tag (RFID-Tag) ausgestaltet sein.
Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Modulationsverfahrens, bei dem mittels Phasenumtastung einem Trägersignal ein Datensignal zwischen zwei benachbarten Flanken des Trägersignals aufgeprägt wird, können aufgrund der sich im Frequenzspektrum ergebenden Frequenzlücken mehrere RFID-Tags, die vorzugsweise auf unterschiedlichen Trägerfrequenzen arbeiten, in einem gemeinsamen System gleichzeitig betrieben werden. Aufgrund der im Frequenzraum guten Unterscheidbarkeit der RFID-Tags ist somit ohne analogen Zusatzaufwand eine hochqualitative Demodulation ermöglicht.
Im Weiteren werden Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lese-Vorrichtung beschrieben.
Bei der Lese-Vorrichtung kann die Trägersignalerzeugungseinheit zum Emittieren eines zusätzlichen im Zeitraum rechteckförmigen Trägersignals eingerichtet sein, das eine andere Frequenzcharakteristik aufweist als das Trägersignal. Ferner kann die Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln von Datensignalen aus modulierten Signalen von zwei Sende-/Empfangs-Einrichtungen eingerichtet sein, wobei die von den Sende-/Empfangs-Einrichtungen gesendeten modulierten Signale auf den beiden unterschiedlichen Trägerfrequenzen gesendet werden.
Mit anderen Worten kann die Lese-Vorrichtung so eingerichtet sein, dass sie mit mehreren RFID-Tags simultan betrieben werden kann, welche RFID-Tags oder allgemein Sende-/Empfangs-Einrichtungen vorzugsweise auf den beiden unterschiedlichen Trägerfrequenzen arbeiten (d. h. senden bzw. empfangen), die mittels der Trägersignalerzeugungseinheit regeneriert werden können.
Ferner kann bei der Lese-Vorrichtung die Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der Datensignale der beiden Sende-/Empfangs-Einrichtungen mittels sukzessiven Demodulierens der Datensignale in einer vorgebbaren Reihenfolge eingerichtet sein. Indem gemäß einer vorgebbaren Reihenfolge die Signale, die von der Detektionseinrichtung erfasst werden, mittels der Ermittlungseinrichtung dekodiert werden, um die in den von den Sende-/Empfangs-Einrichtungen emittierten elektromagnetischen Wellen kodierten Daten zu ermitteln, kann aufgrund der Frequenzlücken und der daher nur sehr geringen Überlappung der einzelnen Signale mit hoher Genauigkeit eine Entschlüsselung der überlagerten Signale erfolgen, indem mit einer vorgebaren Reihenfolge die Datensignale entschlüsselt werden.
Die Trägersignalerzeugungseinheit der Lese-Vorrichtung kann derart eingerichtet sein, dass der Schwerpunkt der Frequenz des zusätzlichen Trägersignals in einem Minimum (Frequenzlücke) des Frequenzspektrums des Trägersignals liegt. Gemäß dieser Ausgestaltung werden die Frequenzlücken, die aufgrund des Phasenumtastungs-Modulationsverfahrens in Kombination mit dem Aufprägen von Datensignalen zwischen zwei Flanken entstehen, besonders effektiv genutzt werden, um eine nur geringe Überlagerung der Signale zu gewährleisten. Dadurch ist ein Demodulieren unterschiedlicher Signale mit besonders hoher Genauigkeit und ohne zusätzlichen analogen Schaltungsaufwand möglich.
Im Weiteren werden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bilden eines modulierten Signals beschrieben.
Das Aufprägen des Datensignals kann in der Mitte zwischen zwei benachbarten (d. h. unmittelbar aufeinanderfolgenden) Flanken des rechteckförmigen Trägersignals erfolgen, wodurch im Frequenzspektrum Lücken gebildet werden können.
Dem Trägersignal kann ein Datensignal mittels 2ⁿ-Phasenumtastung aufgeprägt werden, wobei n eine positive ganze Zahl ist (n = 1: binäre Phasenumtastung (BPSK), n = 2: 4PSK-Modulation, n = 3: 8PSK-Modulation, usw.).
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Identifikations-System gemäß dem Stand der Technik,
2A ein Frequenzspektrum eines Identifikations-Systems gemäß dem Stand der Technik,
2B ein anderes Frequenzspektrum eines Identifikations-Systems gemäß dem Stand der Technik,
3A ein Zeitspektrum eines modulierten Trägersignals gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3B ein Zeitspektrum eines modulierten Trägersignals gemäß dem Stand der Technik,
4A ein Frequenzspektrum eines modulierten Trägersignals gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4B ein Frequenzspektrum eines modulierten Trägersignals gemäß dem Stand der Technik,
5 eine schematische Ansicht eines Modulator-Schaltkreises gemäß dem Stand der Technik,
6 eine schematische Ansicht eines Modulator-Schaltkreises gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
7 ein Identifikations-System gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 3A bis 4B beschrieben, wie sich das erfindungsgemäße Modulationsverfahren mit einer Phasenumtastung zwischen benachbarten Flanken eines rechteckförmigen Trägersignals von einem aus dem Stand der Technik bekannten Modulationsverfahren mit einer Phasenumtastung unterscheidet, bei dem ein Datensignal bei (d. h. an) einer Flanke eines rechteckförmigen Trägersignals aufgeprägt wird.
In 3A ist ein Diagramm 300 gezeigt, welches die Zeitabhängigkeit eines modulierten rechteckwellenförmigen Trägersignals zeigt, das gemäß dem erfindungsgemäßen Modulationsverfahren gebildet ist.
Entlang einer Abszisse 301 von Diagramm 300 ist die Zeit aufgetragen, entlang einer Ordinate 302 ist eine Signalamplitude aufgetragen. Das in 3A gezeigte Trägersignal hat eine Periodendauer T.
Bei einem Phasenwechsel-Zeitpunkt 303 wird auf das zuvor periodische rechteckwellenförmige Trägersignal ein Datensignal aufgeprägt, wobei in dem resultierenden Phasensprung die Information gemäß einem zu übertragenden Datensignal kodiert ist. Das Trägersignal gemäß 3A hat einen rechteckwellenförmigen periodischen Verlauf, der bei dem Phasenwechsel-Zeitpunkt 303 gezielt gestört wird, und zwar genau in der Mitte zwischen zwei benachbarten Flanken (d. h. in der Mitte zwischen einem Wechsel des Trägersignals von einem niedrigen Amplitudenwert zu einem hohen Amplitudenwert und einem unmittelbar nachfolgenden Wechsel von dem hohen Amplitudenwert zu dem niedrigen Amplitudenwert). Als Flanken werden die gemäß 3A senkrechten Kurvenverläufe des Trägersignals bezeichnet, bei welchen das Trägersignal von einem hohen Amplitudenwert auf einen niedrigen Amplitudenwert wechselt oder umgekehrt.
Im Gegensatz dazu ist in einem Diagramm 350 in 3B ein binäres Phasenumtastungs-Verfahren gemäß dem Stand der Technik beschrieben, bei dem aus einem Trägersignal und einem Datensignal ein moduliertes Signal gebildet wird, indem das Datensignal an einer Flanke des rechteckförmigen Trägersignals aufgeprägt wird.
Diagramm 350 zeigt entlang einer Abszisse 351 die Zeit und entlang einer Ordinate 352 eine Amplitude eines modulierten Signals, das basierend auf einem Trägersignal mit einer Trägerfrequenz T unter Aufprägung eines Datensignals gebildet ist. Bei einem Phasenwechsel-Zeitpunkt 353 erfolgt ein Phasenwechsel des Trägersignals, worin die Information des Datensignals kodiert ist. Wie in 3B gezeigt, erfolgt die Änderung des Phasenwechsels zu einem Zeitpunkt während des Signalverlaufs, bei dem das Trägersignal eigentlich einen Flankenwechsel von einem hohen Wert zu einem niedrigen Wert vollführen würde. Anders ausgedrückt wird gemäß 3B nicht zwischen zwei benachbarten Flanken, sondern genau an einer Flanke ein Phasenwechsel durchgeführt.
In 4A ist das dem in 3A gezeigten Zeitspektrum eines modulierten Trägersignals zugehörige Frequenzspektrum gezeigt.
Das in 4A gezeigte Diagramm 400 weist eine Abszisse 401 auf, entlang welcher die Frequenz in Vielfachen von 10⁵ Hz aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 402 ist eine Signalamplitude in dB aufgetragen. Diagramm 400 zeigt ein Trägersignal 403, das von Datensignal-Seitenbändern 404 umgeben ist. Ferner weist das Frequenzspektrum aus 4A aufgrund des Phasenumtastungs-Verfahrens mit einer Modulation zwischen benachbarten Flanken eines Trägersignals (siehe 3A) Frequenzlücken 405 auf.
In 4B ist das Frequenzspektrum gezeigt, das dem Zeitverlauf aus 3B entspricht.
Das in 4B gezeigte Diagramm 450 enthält wiederum eine Abszisse 451, entlang welcher die Frequenz in Vielfachen von 10⁵ Hz aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 452 ist eine Amplitude in dB aufgetragen. Ein Trägersignal 453 ist von Datensignalen 454 umgeben. Es sind in dem Spektrum aus 4B keine ausgeprägten Frequenzlücken zu sehen, wie sie bei 4A auftreten.
Erfindungsgemäß ist somit ein digitaler binärer (+180° bzw. –180°-Phasensprung) Phasentastungs-Modulator geschaffen, bei dem die Phasenumtastung um +90° oder –90° versetzt erfolgt (siehe 3A). Dadurch entsteht bei einem Phasenwechsel 303 ein Impuls mit einer Periodendauer von einem viertel der Periodendauer des Rechteck-Trägersignals (siehe 3A). Im Vergleich dazu entsteht bei der aus dem Stand de Technik bekannten BPSK-Modulation bei einem Phasenwechsel ein Impuls mit der Länge einer ganzen Trägersignalperiode (siehe 3B), d. h. ein vierfach längerer Impuls als gemäß 3A. Allgemein kann ein Zeitraum-Rechteckimpuls im Frequenzraum durch eine SI-Funktion dargestellt (SI = (sinx)/x). Bei vierfach verkürzter Impulslänge wird die SI-Funktion im Frequenzbereich anschaulich um einen Faktor vier gespreizt. Dies führt zu einer Verschiebung der Nullstellen um einen Faktor vier und bewirkt eine deutlich geringere Steilheit der Funktion, was die Frequenzlücken 405 in einer Umgebung der Nullstellen erheblich vergrößert. Die Vergrößerung der Frequenzlücken (siehe 4A, im Gegensatz dazu das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren aus 4B) in der Nähe der Nullstellen ermöglicht es, dort weitere Trägersignale (Anzahl n) mit der entsprechenden 4ⁿ-fachen der niedrigsten Trägerfrequenz anzuordnen. Verschiedene Frequenzbänder für unterschiedliche Hilfsträger führen zu einer geringen Kollisionswahrscheinlichkeit der gesendeten Kennungen, weil beispielsweise unterschiedliche RFID-Tags auf unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig senden können.
Simulation haben ergeben, dass erfindungsgemäß eine Minderung der gegenseitigen Beeinflussung der rechteckwellenförmigen Trägersignale um ca. 20 dB (d. h. um einen Faktor 10) gegenüber einem bekannten PSK-Verfahren möglich ist.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 5 ein Modulator-Schaltkreis 500 gemäß dem Stand der Technik beschrieben.
In 5 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Modulator-Schaltkreis 500 gezeigt, bei dem eine binäre Phasenumtastung mit einem Signalsprung an einer Flanke eines Trägersignals erfolgt.
Der Modulator-Schaltkreis 500 weist einen Rechteckträgersignal-Generator 501 auf, welcher ein Trägersignal St(t) 502 generiert. Dieses wird ein Datensignal Sdata(t) 503 aufgeprägt, so dass dadurch ein moduliertes Signal Sm(t) 504 generiert wird.
Bei dem in 5 gezeigten bekannten BPSK-Modulator 500 wird das Datensignal Sdata(t) 503 mit dem rechteckigen Trägersignal St(t) 502 multipliziert, wobei das Bit-Timing des Datensignals 503 synchron zum Trägersignal 502 erfolgt. Der Phasensprung des bekannten Modulator-Schaltkreises 500 erfolgt stets bei einem Flankenwechsel des Trägersignals 502, siehe 3B.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 6 ein Modulator-Schaltkreis 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Bei dem Modulator-Schaltkreis 600 ist wiederum ein Rechteckträgersignal-Generator 601 vorgesehen, welcher ein rechteckförmiges Trägersignal generiert. Dieses wird erfindungsgemäß unter Verwendung eines Phasenschieber-Elements 605 derart modifiziert, dass das Signal um eine Phase von 90° verschoben wird. Dadurch entsteht ein Trägersignal St(t) 602. Dieses wird mit einem Datensignal Sdata(t) 603 derart in Überlagerung gebracht, dass ein moduliertes Signal Sm(t) 604 generiert wird, welches im Zeitraum durch 3A und im Frequenzraum durch 4A beschrieben wird.
Der erfindungsgemäße Modulator-Schaltkreis 600 aus 6 unterscheidet sich von dem in 5 gezeigten Modulator-Schaltkreis 500 durch das Vorsehen eines Phasenschieber-Elements 605, der im Signalpfad des Trägersignals St(t) 602 angeordnet ist, und welcher den Phasenwechsel um 90° verschiebt. Natürlich kann alternativ auch das Datensignal um eine viertel Periodendauer des Trägersignals verzögert werden.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 7 ein Identifikations-System 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreiben.
Das Identifikations-System 700 weist drei Modulator-Schaltkreise 600 auf, von denen jeder als ein RFID-Tag ausgestaltet ist. Der interne Aufbau von jedem der Modulator-Schaltkreise 600 entspricht dem in 6 gezeigten Aufbau, wobei der Rechteckträgersignal-Generator 601 für jeden der RFID-Tags 600 eine separate Frequenz bereitstellt, nämlich die Frequenz f1, die Frequenz 4xf1 bzw. die Frequenz 16xf1 (siehe 7). Ferner ist ein HF-Träger 701 vorgesehen, der den modulierten Signalen S1m(t), S2m(t), S1m(t) eine Hochfrequenz aufprägt. Mittels eines Lesegerätes 702 werden die von den RFID-Tags 600 übertragenen Signale empfangen und die so übertragenden Daten extrahiert.
Sollen also mehrere rechteckwellenförmige Trägersignale gleichzeitig BPSK-moduliert werden, so kann dies unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung 700 aus 7 erfolgen. 7 zeigt die Anordnung für drei verschiedene Trägersignale f1, 4xf1, 16xf1, wenn die drei RFID-Tags 600 gleichzeitig senden. Für die Funkübertragung werden hier die modulierten Signale Sim(t) mit i = 1, 2, 3 mit dem HF-Träger 701 multipliziert.
Die Demodulation der BPSK-modulierten Signale kann nach bekannten Verfahren erfolgen, wobei bei kritischen Empfangsbedingungen, zum Beispiel wenn die Trägersignale mit den geringen Frequenzen sehr stark von den höherfrequenten Trägersignalen beeinflusst werden, eine sukzessive Demodulation erfolgen kann. Dies bedeutet, dass zuerst das Datensignal s3data(t) demoduliert wird und dessen Störung auf das Datensignal s2data(t) bestimmt und entsprechend bei der Demodulation des Datensignals s2data(t) berücksichtigt wird, usw. Prinzipiell erlaubt diese sukzessive Demodulationsmethode das Vorsehen von beliebig vielen Trägersignalen, wobei in der Praxis die Anzahl der rechteckwellenförmigen Trägersignale so gewählt wird, dass eine Fehlerfortpflanzung bei der sukzessiven Demodulation ausreichend gering ist.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:

[1] Finkenzeller, Klaus ”RFID-Handbuch”, Hanser-Verlag, 2002, Kapitel 9, Seiten 248–250
[2] Xiong, Fuqin ”Digital Modulation Techniques”, Artech House, 2000, Kapitel 4, Seiten 123–129
[3] Wilhelm, Claus ”Datenübertragung”, Militärverlag der Deutschen Demokratischen Republik, 1976, Seiten 54–57
[4] Gelder, Erich ”Integrierte Digitalbausteine”, Vogel-Buchverlag, 1984, Seiten 270–284
[5] Stadler, Erich: ”Modulationsverfahren”, Vogel-Buchverlag, 1983, Seiten 131–133

Claims

Modulator-Schaltkreis zum Bilden eines modulierten Signals, welcher derart eingerichtet ist, dass • ein im Zeitraum rechteckförmiges Trägersignal bereitgestellt wird; • mittels Phasenumtastung dem Trägersignal ein Datensignal aufgeprägt wird, so dass ein moduliertes Signal gebildet wird; • wobei das Aufprägen des Datensignals zwischen zwei benachbarten Flanken des rechteckförmigen Trägersignals erfolgt.
Modulator-Schaltkreis nach Anspruch 1, eingerichtet als monolithisch integrierter Schaltkreis.
Modulator-Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, eingerichtet zum Aufprägen des Datensignals in der Mitte zwischen den zwei benachbarten Flanken des rechteckförmigen Trägersignals.
Modulator-Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der in Digital-Schaltungstechnik realisiert ist.
Modulator-Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der derart eingerichtet ist, dass dem Trägersignal ein Datensignal mittels 2ⁿ-Phasenumtastung aufgeprägt wird, wobei • eine positive ganze Zahl ist.
Sende-/Empfangs-Einrichtung • mit einem Modulator-Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5; • mit einer Sende-/Empfangs-Antenne, die mit dem Modulator-Schaltkreis gekoppelt ist, und die zum Empfangen des Trägersignals und zum Senden des mittels des Modulator-Schaltkreises gebildeten modulierten Signals eingerichtet ist.
Sende-/Empfangs-Einrichtung nach Anspruch 6, eingerichtet als Radio-Frequency-Identification-Tag.
Lese-Vorrichtung zum Ermitteln von Datensignalen aus einem modulierten Signal einer Sende-/Empfangs-Einrichtung, • mit einer Trägersignalerzeugungseinheit zum Emittieren eines im Zeitraum rechteckförmigen Trägersignals; • mit einer Detektionseinrichtung zum Erfassen eines modulierten Signals der Sende-/Empfangs-Einrichtung; • mit einer Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln eines Datensignals aus dem modulierten Signal, das mittels der Sende-/Empfangs-Einrichtung gebildet ist, indem mittels Phasenumtastung dem Trägersignal ein Datensignal aufgeprägt ist.
Lese-Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der • die Trägersignalerzeugungseinheit zum Emittieren eines zusätzlichen im Zeitraum rechteckförmigen Trägersignals eingerichtet ist, das eine andere Trägerfrequenz aufweist als das Trägersignal; • die Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln von Datensignalen aus modulierten Signalen von zwei Sende-/Empfangs-Einrichtungen eingerichtet ist, wobei die von den Sende-/Empfangs-Einrichtungen gesendeten modulierten Signale bei den beiden unterschiedlichen Trägerfrequenzen gesendet werden.
Lese-Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der Datensignale der beiden Sende-/Empfangs-Einrichtungen mittels sukzessiven Demodulierens der Datensignale in einer vorgebbaren Reihenfolge eingerichtet ist, wobei zuerst ein erstes Datensignal demoduliert wird und dessen Störung auf ein zweites Datensignal bestimmt wird und bei der Demodulation des zweiten Datensignals berücksichtigt wird.
Lese-Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Trägersignalerzeugungseinheit derart eingerichtet ist, dass die Frequenz des Frequenzspektrums des zusätzlichen Trägersignals mit der größten spektralen Leistungsdichte in einem Minimum des Frequenzspektrums des Trägersignals liegt.
Verfahren zum Bilden eines modulierten Signals, bei dem • ein im Zeitraum rechteckförmiges Trägersignal bereitgestellt wird; • mittels Phasenumtastung dem Trägersignal ein Datensignal aufgeprägt wird, so dass ein moduliertes Signal gebildet wird; • wobei das Aufprägen des Datensignals zwischen zwei benachbarten Flanken des rechteckförmigen Trägersignals erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Aufprägen des Datensignals in der Mitte zwischen den zwei benachbarten Flanken des rechteckförmigen Trägersignals erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem dem Trägersignal ein Datensignal mittels 2ⁿ-Phasenumtastung aufgeprägt wird, wobei n eine positive ganze Zahl ist.