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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen RFID-Transponder und insbesondere
eine Architektur und ein entsprechendes Verfahren für den Betrieb eines
RFID-Transponders.
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In
RFID-Transpondern werden viele unterschiedliche Techniken dafür verwendet,
in einer Abwärtsbetriebsart
Daten von einer Lese/Schreib-(R/W-)Einheit an den Transponder zu senden
und in einer Aufwärtsbetriebsart
Daten von dem Transponder an der R/W-Einheit zu empfangen. Die vorliegende
Erfindung betrifft einen Transponder, bei dem das Aufwärtssignal
zum Beispiel gemäß einem
Prinzip der Amplitudenumtastung (ASK) bzw. der Frequenzumtastung
(FSK) moduliert wird, und die Aufwärtsübertragung gemäß ASK insbesondere unter
Verwendung von Ein-Aus-Tastung (OON). Unter Verwendung dieses bestimmten
ASK-Prinzips wird ein Signal mit einer bestimmten Frequenz an den
Transponder gesendet und periodisch ein- und ausgeschaltet. Die
Länge der
Intervalle gibt zum Beispiel an, ob eine logische ,1' oder eine logische
,0' gesendet wird.
Folglich muss der Transponder die Länge eines Aus-Intervalls bestimmen.
Dies kann mit einem von einem internen Quarzoszillator erzeugten Taktsignal
durchgeführt
werden. Die Implementierung eines Quarzoszillators in einem Transponder
ist jedoch eher teuer und deshalb für die meisten Identifizierungs-
bzw. Datenkennungsaufgaben nicht wirtschaftlich. Ein anderer Ansatz
besteht in der Verwendung eines LC-Oszillators (auch LC-Tank bzw. Schwingkreis).
Diese Arten von Oszillatoren sind billig. Praktisch stellen die
die Antenne bildenden Induktivitäten
und Kondensatoren einen Schwingkreis dar, der als Oszillator verwendet
wird. Die Antenne bzw. der Schwingkreis wird dann durch ein externes HF-Signal
erregt. Wenn die externe Erregung aufhört, klingt die Schwingung der
Antenne (des Schwingkreises) ab. Hierdurch wird die Vielfalt von Anwendungen
eingeschränkt.
Die Schwingung kann durch Verwendung eines Schwingkreises, der C-Verstärker verwenden
kann, aufrechterhalten werden. C-Verstärker enthalten einen LC-Tank
bzw. Schwingkreis und eine Plucking-Vorrichtung (z. B. einen Transistor),
die periodisch kurz ein- und ausgeschaltet wird. Auf diese Weise
wird der Schwingkreis aktiv veranlaßt, das Schwingen fortzuführen. Dieses
Prinzip ist auf den verwendbaren Q-Bereich beschränkt. Q betrifft
die Qualität
des Schwingkreises, die als Q bzw. Q-Faktor bekannt ist.
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Die
Zeit, während
der die Schwingung eines Schwingkreises ohne Plucking (d. h. zusätzliche
Erregung) aufrechterhalten werden kann, hängt von Q bzw. dem Q-Faktor
ab. Ein niedriger Q-Faktor gibt an, dass ein Schwingkreis hohe Verluste
aufweist und folglich ohne Erregung für ein kürzeres Zeitintervall schwingt
als ein Schwingkreis mit hohem Q-Faktor. Für Breitbandübertragungen, d. h. für hohe Datenübertragungsraten,
wird jedoch ein Oszillator mit niedrigem Q-Faktor benötigt. Ebenso
beeinflusst ein Datenaustausch zwischen der R/W-Einheit und dem Transponder über einen
kurzen Abstand den Q-Faktor und verringert ihn. Somit kann die Schwingung des
Schwingkreises wohl kaum als Referenz zur Messung der Länge der
Erregungspausen verwendet werden. Ebenso wird diese Schwingung,
während
die R/W-Einheit nicht sendet, als konstantes Referenztaktsignal
für Aufwärtsdatenübertragungen verwendet.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Transponder und ein
Verfahren für
den Betrieb eines Transponders bereitzustellen, das es ermöglicht,
dass der Transponder mehr Verwendungsmöglichkeiten und einen größeren Q-Bereich
hat und kostengünstiger
und weniger komplex als ein interner Quarzoszillator ist.
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Entsprechend
stellt die vorliegende Erfindung einen RFID-Transponder bereit.
Der RFID-Transponder umfasst eine Antenne für den Empfang von Daten in
einer Abwärtsbetriebsart
und für
das Senden von Daten in einer Aufwärtsbetriebsart. Es werden eine
Modulationsstufe zur Modulation der Aufwärtsdaten sowie eine Demodulationsstufe zur
Demodulation der Abwärtsdaten
bereitgestellt. Der Transponder enthält ebenfalls einen C-Verstärker. Der
C-Verstärker
umfasst einen Schwingkreis (z. B. einen LC-Tank), eine mit dem Schwingkreis
gekoppelte Plucking-Vorrichtung und einen steuerbaren Pulsbreitengenerator,
der mit der Plucking-Vorrichtung gekoppelt ist. Der steuerbare Pulsbreitengenerator
ist mit einem internen Oszillator verbunden, um die Plucking-Vorrichtung
periodisch ein- und auszuschalten, um eine Schwingung des Schwingkreises aufrechtzuerhalten.
Die Antenne und der Schwingkreis können dieselben L-, C-Bauelemente
umfassen, d. h. Teile der Antenne oder die gesamte Antenne können den
Schwingkreis darstellen und umgekehrt. Praktisch können die
Antenne und der Schwingkreis dasselbe sein. Des Weiteren umfasst der
Transponder ebenfalls einen Phasenregelkreis (PLL), der so konfiguriert
ist, dass er auf ein über
die Antenne (d. h. den Schwingkreis) empfangenes HF-Signal einrastet
und in eine frei laufende Betriebsart geschaltet werden kann, wenn
die PLL auf die Eingangs-HF-Frequenz eingerastet ist. Die PLL ist
dabei so eingerichtet, dass sie ein unabhängiges Taktsignal für den RFID-Transponder
ausgibt. Der Schwingkreis wird durch ein an der Antenne empfangenes
schwingendes HF-Signal erregt, und die PLL, die mit dem Oszillator
(z. B. einem spannungsgesteuerten Oszillator) gekoppelt ist, wird
auf die externe Erregungsfrequenz des empfangenen HF-Signals abgestimmt.
Sobald die PLL mit der von der Antenne empfangenen externen HF-Frequenz
verrastet ist, erzeugt sie ein Ausgangssignal, das als internes Taktsignal
zur Demodulation und zur Aufrechterhaltung der Schwingung in dem
Schwingkreis (d. h. an der Antenne) für die Aufwärtsübertragung verwendet werden
kann. In diesem Fall wird das durch die PLL erzeugte interne Taktsignal
dem steuerbaren Pulsbreitengenerator zugeführt, so dass der steuerbare Pulsbreitengenerator
basierend auf dem internen Taktsignal die Plucking-Vorrichtung und
somit den Schwingkreis mit derselben Frequenz wie das Taktsignal
ein- und ausschaltet. Wenn die Plucking-Vorrichtung eingeschaltet
ist, wird in dem Schwingkreis Energie induziert, die jegliche Verluste
in dem Schwingkreis kompensiert und es somit gestattet, die Schwingung
durch Verwendung des durch die PLL erzeugten internen Taktsignals
aufrechtzuerhalten. Der steuerbare Pulsbreitengenerator wird zum
Beispiel durch Verwendung des Ausgangssignals des Demodulationskreises
als Indikator für
die Ausgangsamplitude zur Regelung der Amplitude in dem Schwingkreis
verwendet. Auf diese Weise kann die Schwingung aufrechterhalten
werden, und somit kann der Transponder ohne Unterbrechungen arbeiten,
ohne einen internen Quarzoszillator zu benötigen. Hierdurch werden die
Kosten des Transponders verringert und der verfügbare Platz in dem Schaltkreis
vergrößert.
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Vorzugsweise
umfasst die Modulationsstufe ein Mittel zur Abstimmung einer Schwingfrequenz des
Schwingkreises (d. h. zum Beispiel der Antenne), um ein Aufwärts-Frequenzumtastungs-(FSK-)Signal bereitzustellen.
Zur Erhöhung
der Leistungsfähigkeit der
Aufwärtsübertragung
wird ebenfalls ein Mittel zur ungefähren Abstimmung des (z. B.
externen) Schwingkreises auf die Frequenz des PLL-Oszillators bereitgestellt.
Das Abstimmungsmittel kann gemäß dem Aufwärtsmodulationssignal
zum Beispiel als ein einfacher abstimmbarer Kondensator implementiert
sein, um die Schwingfrequenz des Schwingkreises zu verschieben.
Um ein Aufwärts-ASK-Signal bereitzustellen,
kann das Ausgangssignal der PLL invertiert werden, um ein Signal
mit einer Phasenverschiebung von 180° in Bezug auf das Signal von
der R/W-Einheit zu erzeugen. Dies dämpft das Signal in dem Schwingkreis
und dient somit zur Backscatter-Modulation. Es wird keine zusätzliche
Hardware benötigt.
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Der
Transponder kann ferner eine End-of-Burst-Stufe zur Detektion eines
Endes eines Abwärtsdatenbursts
(von einer R/W-Einheit an der Antenne empfangene Daten) umfassen.
Bei Detektion des Endes des Abwärtsdatenbursts
kann die End-of-Burst-Stufe dann dafür verwendet werden, dem Phasenregelkreis
zu signalisieren, dass der Phasenregelkreis in die frei laufende
Betriebsart zu schalten ist, wodurch es ermöglicht wird, dass die Schwingfrequenz
ohne externe Referenz aufrechterhalten wird. Die End-of-Burst-Stufe stellt dem
Phasenregelkreis eine Anzeige bereit, dass ein externes HF-Schwingsignal nicht
mehr an der Antenne empfangen wird, und dass er von der Verrastung
mit dem externen HF-Signal zurück
in seine frei laufende Betriebsart schalten soll. Die End-of-Burst-Stufe
kann durch jede beliebige geeignete Schaltung implementiert werden.
Des Weiteren kann die End-of-Burst-Stufe so eingerichtet sein, dass
sie detektiert, ob eine Amplitude eines Aufwärtssignals größer als
ein vorbestimmter Pegel ist, und bei Detektion, dass die Amplitude
des Aufwärtssignals
größer als
der vorbestimmte Pegel ist, ein Steuersignal für den C-Verstärker zur
Verringerung der Pulsbreite des pulsbreitenmodulierten Signals von
dem Pulsbreitenmodulator und umgekehrt bereitstellt. Dadurch wird die
Amplitude des Aufwärtssignals
als Reaktion auf das EOB-Signal durch die Breite des pulsbreitenmodulierten
Signals geregelt.
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Es
kann ein Multiplexer bereitgestellt werden, der so eingerichtet
ist, dass er das interne Taktsignal zwischen dem von dem Phasenregelkreis
ausgegebenen Taktsignal und einem extern an den Transponder angelegten
Testtaktsignal umschaltet. Für
das Testen des Oszillators wird der Phasenregelkreis getrennt, und
es wird an Stelle des Phasenregelkreises ein externer Testtakt an
den steuerbaren Pulsbreitengenerator angelegt. Hierdurch wird ein einfaches
Testen des Oszillators ermöglicht,
da dessen Ausgangssignal während
bestimmter Tests zugänglich
sein muss; d. h. nicht als Eingabe an den Phasenregelkreis verwendet
wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren für den Betrieb
eines RFID-Transponders bereit. Der RFID-Transponder ist so eingerichtet, dass
er in einer Abwärtsbetriebsart
Daten empfängt und
in einer Aufwärtsbetriebsart
Daten sendet, wobei das Verfahren das Einrasten eines Phasenregelkreises
auf ein über
eine Antenne empfangenes Schwingsignal und das Schalten des Phasenregelkreises
in eine frei laufende Betriebsart, in der er nicht auf das über die
Antenne empfangene Schwingsignal eingerastet ist, umfasst, wodurch
an einem Ausgang des Phasenregelkreises ein unabhängiges internes
Taktsignal für
den RFID-Transponder bereitgestellt wird. Das empfangene HF-Schwingsignal wird
einem Phasenregelkreis zugeführt
und zum Einrasten des Phasenregelkreises verwendet, der dann das
unabhängige
interne Taktsignal ausgibt. Das interne Taktsignal kann dann dafür verwendet
werden, den Oszillator so zu schalten, dass die Schwingung des Oszillators
aufrechterhalten wird und Verluste kompensiert werden. Das Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung benötigt keinen
separaten Quarzoszillator, wodurch die Kosten verringert werden
und Platz in dem RFID-Transponder-Schaltkreis eingespart wird. Die
Antenne kann ein LC-Schwingkreis sein.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der untenstehenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
und aus der beigefügten Zeichnung.
Es zeigt:
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1 ein
vereinfachtes Schaltbild eines Transponders gemäß der Erfindung.
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1 zeigt
einen Transponder gemäß der Erfindung
in Form eines vereinfachten Schaubilds. Ein LC-Schwingkreis ist
mit einem Versorgungsspannungsknoten Vsupply verbunden und hat eine
Induktivität
L, die zwischen den Versorgungsspannungsknoten Vsupply und einen
Knoten RF parallel mit einem Kondensator C geschaltet ist. Dies
ist ein normaler Schwingkreis, der in der Praxis die Antenne für das Senden
und den Empfang von HF-Signalen bildet. Praktisch kann die Antenne,
d. h. L und/oder C, auch nicht in einer integrierten elektronischen
Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
integriert sein, sondern sie können
stattdessen extern ausgeführt
sein. Es können
jedoch ebenfalls entweder eine separate oder eine integrierte Antenne
oder jede beliebige andere Schwingkreiskonfiguration verwendet werden,
ohne von der Erfindung abzuweichen. Die gestrichelten Linien zeigen
eine mögliche
Einteilung von internen (IC) und externen (EXT) Bauelementen an,
die nicht auf derselben elektronischen Vorrichtung integriert sein
müssen.
Eine Plucking-Vorrichtung, die hier als NMOS-Transistor T1 implementiert ist,
ist über
ihren Drain- bzw. Source-Anschluss zwischen den Knoten RF und Masse
geschaltet, wobei der Gate-Anschluss des Transistors T1 mit einem steuerbaren
Pulsbreitengenerator (Pulsbreitenmodulator) PWM verbunden ist. Der
durch die Induktivität L
und den Kondensator C gebildete Oszillator sowie der Transistor
T1 und der Pulsbreitenmodulator PWM bilden gemeinsam einen C-Verstärker. Der Knoten
RF an dem Ausgang des Schwingkreises ist ebenfalls mit dem Eingang
eines Phasenregelkreises PLL verbunden, der entweder ein analoger
oder ein digitaler Phasenregelkreis sein kann. Der Phasenregelkreis
PLL besteht zum Beispiel aus den normalen Phasenregelkreisbauelementen,
nämlich
aus einem Phasen/Frequenzdetektor PFD an dem Eingang, einem Schleifenfilter
und Steuerschaltkreis LF und einem spannungsgesteuerten Oszillator
VCO zur Bereitstellung des Ausgangssignals. Der spannungsgesteuerte
Oszillator ist die Taktquelle bzw. Taktungsquelle für den Transponder,
wobei die Frequenz des VCO durch Schleifenfilter und Steuerschaltkreis
LF geregelt wird. Die Abstimmschaltung MODCAP, die ein Abstimmkondensator
sein kann, ist über
den Knoten RF mit dem Schwingkreis und ebenfalls mit einer Aufwärtsmodulationsstufe
verbunden, um die Schwingfrequenz des Oszillators für FSK gemäß dem Aufwärtsmodulationssignal
zu verschieben. Der Ausgang des Phasenregelkreises PLL ist mit dem steuerbaren
Pulsbreitengenerator PWM und der Pulsbreitensteuerschaltung PWC
verbunden. Zwischen dem Knoten RF und der Pulsbreitensteuerschaltung
PWC wird ein End-of-Burst-Detektor EOB bereitgestellt, der ebenfalls
mit einer Abwärtsmodulationsstufe
verbunden ist.
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Zu
Beginn der Kommunikation mit dem Transponder wird ein Ladungsimpuls,
der von einem an der Antenne empfangenen externen HF-Signal abgeleitet
ist und zum Beispiel circa 50 ms andauern kann, zur Synchronisation
des Phasenregelkreises PLL verwendet. Der Transponder wird aktiviert,
der Phasenregelkreis PLL fährt
an, und der spannungsgesteuerte Oszillator VCO wird auf die Schwingfrequenz
des an der Antenne (d. h. z. B. dem Schwingkreis LC) empfangenen
externen HF-Signals abgestimmt. Nachdem das Abstimmen des VCO stattgefunden
hat, und/oder wenn das externe HF-Signal fehlt, kann der Phasenregelkreis
PLL in einer frei laufenden Betriebsart „eingefroren" werden, in der der VCO
das Abstimmen auf das externe HF-Signal beendet, aber das Schwingen
fortführt,
so dass der VCO im Grunde in dem letzten Zustand, in dem er sich
befand, bevor die PLL in die frei laufende Betriebsart schaltete,
verbleibt. Das über
die Antenne empfangene externe HF-Signal kann nicht als Referenztakt
während
einer Aufwärtsübertragung
und auch nicht während
Aus-Intervallen
in der Abwärtsstufe
verwendet werden. Die PLL kann jedoch selbst ohne externe Referenz
so eingerichtet werden, dass sie ein Schwingsignal ausgibt und aufrechterhält, das zur
Aufrechterhaltung der Schwingung des aus der Induktivität L und
dem Kondensator C bestehenden Schwingkreises (der Antenne) verwendet
werden kann. Wenn eine analoge PLL verwendet wird, kann die PLL
durch Ausschalten der internen Ladungspumpe in Schleifenfilter und
Regelkreis LF in eine frei laufende Betriebsart geschaltet werden.
Alternativ können
bei Verwendung einer digitalen PLL die Eingangssignale des VCO (der
durch einen digital gesteuerten Oszillator bzw. DCO ersetzt würde) so
lange stabil bleiben, wie es erforderlich ist, wenn sich die PLL
in frei laufender Betriebsart befindet. Praktisch driftet die Frequenz
des VCO bzw. DCO etwas, zum Beispiel auf Grund von Temperaturänderungen
oder anderen Einflüssen,
aber diese Drift kann vernachlässigt
werden, so lange die Zeitspanne, in der das externe HF-Signal fehlt,
ausreichend kurz ist.
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Während der
Abwärtsübertragungen
wird Amplitudenumtastung (ASK), insbesondere Ein-Aus-Tastung (OON),
angewendet. Die Abwärtsmodulation
des empfangenen HF-Signals an der Abwärtsmodulationsstufe wird durch
den End-of-Burst-Detektor
EOB detektiert. Wenn sich das EOB-Signal zum Beispiel auf logisch
Null ändert,
d. h. das externe Signal von der R/W-Einheit unterbrochen ist, wird
die Länge
eines Aus-Intervalls unter Verwendung des PLL-Ausgangssignals (d.
h. des VCO-Taktsignals) in frei laufender Betriebsart als Zeitreferenz
verwendet. In frei laufender Betriebsart kann das PLL-Ausgangssignal
immer dann praktisch für
jeden beliebigen Zweck als ausreichend stabile Referenz verwendet
werden, wenn ein externes Referenzsignal nicht verfügbar ist.
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Während der
Aufwärtsübertragung
und wenn Frequenzumtastung (FSK) für die Aufwärtsübertragung verwendet wird,
wird die Frequenz des externen Schwingkreises abgestimmt oder zwischen zwei
Frequenzen umgeschaltet, und die PLL wird, während sie sich in frei laufender
Betriebsart befindet, entsprechend so abgestimmt, dass sie mit der nominalen
Schwingfrequenz des abgestimmten Schwingkreises LC übereinstimmt.
Hierdurch wird es ermöglicht,
dass der abgestimmte LC-Schwingkreis mit minimalen Leistungsverlusten
optimal gepluckt (durch T1 erregt) wird. Das von der PLL ausgegebene
Taktsignal wird dann dem steuerbaren Pulsbreitengenerator PWM zugeführt und
führt dazu,
dass der PWM an das Gate des Plucking-Transistors T1 ein Signal
mit derselben Taktung wie das PLL-Ausgangssignal ausgibt, so dass
die Taktung für
das Plucking des Schwingkreises optimal ist. Allgemein wird der
Transistor T1 durchgeschaltet und stellt einen Kurzschluss mit der
Induktivität
des Oszillators bereit, wenn das an den Gate-Anschluss des Transistors
T1 angelegte Signal logisch eins ist. Dies führt dazu, dass durch L ein
stärkerer
Strom fließt,
wodurch Energie in dem LC-Tank (Schwingkreis) induziert wird. Diese
zusätzliche
Energie kompensiert die in dem Schwingkreis auftretenden Verluste.
Das Abstimmen der PLL auf die Aufwärtsfrequenz bedeutet, dass
das Ausgangssignal der PLL und somit das Plucking des Schwingkreises
durch den Transistor T1 synchron mit der Schwingfrequenz des LC-Schwingkreises
ist. Dies ist die leistungssparendste Art des Pluckings des Schwingkreises,
jedoch kann sich die PLL-Schwingfrequenz auch von der nominalen
Frequenz des LC-Schwingkreises unterscheiden, wenn es erforderlich
ist, den LC-Schwingkreis aus seiner nominalen Schwingfrequenz zu
verstimmen.
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Wenn
für die
Aufwärtsmodulation
ASK angewendet wird, kann das Ausgangssignal der PLL invertiert
werden, um ein Taktsignal bereitzustellen, das eine Phasenverschiebung
von 180° in
Bezug auf das von der R/W-Einheit empfangene Signal hat, und mit
dem die PLL verrastet ist. Dieses invertierte Signal kann dann gemäß ASK-Modulation
gedämpft werden,
um für
die Aufwärtsdatenübertragung
verwendet zu werden. Dies dämpft
das Signal in dem Schwingkreis und dient somit als Backscatter-Modulation,
ohne dass zusätzliche
Hardware benötigt
wird.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform
beschrieben wurde, ist diese nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und
dem Fachmann fallen zweifellos weitere Alternativen ein, die innerhalb
des beanspruchten Schutzumfangs der Erfindung liegen.