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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 gemäß dem Prinzip der Frequenzumtastung (FSK) moduliert wird. 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 IC-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 IC-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. Gattungsgemäße RFID-Transponder, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht, sind beispielsweise ”A low power transponder IC for high performance identification systems”, IEEE 1994 Custom Integrated Circuits Conference, S. 335–338 von U. Kaiser, W. Steinhagen, und ”RFID Handbook”, 2. Aufl., 2003, von Klaus Finkenzeller, zu entnehmen.
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DE 19752029 B4 beschreibt eine spezielle Antennenanordnung und eine Antennenansteuerung eines Lesegeräts nach Art eines ”phased array”. Eine Abwandlung eines Transponders wird nicht offenbart.
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DE 102005061660 A1 offenbart eine Transponderemulation zur Reichweitenverbesserung. Dabei wird die Trägerfrequenz des Lesegeräts mittels einer PLL bestimmt. Zur Rückübertragung von Daten wird die Regelschleife der PLL aufgetrennt und die Trägerfrequenz beibehalten. Dies gilt jedoch nur für eine Transponderemulation und nicht für den normalen Betrieb.
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Ferner ist aus der
US 2006/0267690 A1 eine Takterzeugungsschaltung bekannt, bei der ein Taktsignal entweder von einer PLL oder von einem separaten Oszillator bereitgestellt werden kann. Es ist vorgesehen, dass zwischen dem Ausgang der PLL und dem Ausgang des Oszillators bedarfsweise hin und her geschaltet werden kann. Diese Schaltung erfordert jedoch die Bereitstellung eines zusätzlichen Oszillatorschaltkreises.
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Es ist eine Aufgabe 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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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 5 gelöst.
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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 IC-Tank), eine mit dem Schwingkreis gekoppelte Plucking-Vorrichtung (Transistor) 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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Weiter 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. Außerdem wird eine Schwingfrequenz des Phasenregelkreises beim Senden von Daten vom Transponder mittels FSK gemäß einer Änderung der Schwingfrequenz des Schwingkreises geändert. 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 IC) 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 IC 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 IC-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.