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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Sensormodul für ein Fahrzeugsicherheitssystem
bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensormoduls nach
der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus
DE 11 2006 003 053
T5 ist ein drahtloser Drehgeschwindigkeitssensor bekannt,
bei dem die Drehzahl eines Kraftfahrzeugrads gemessen wird und die
von dem Sensor genommenen Messwerte zu einem Datentelegramm aufbereitet
werden, das die Drehzahl des Rads angibt. Weiterhin ist der Sensor derart
konfiguriert, dass das Datentelegramm drahtlos gesendet wird. Um
die Drahtdrehzahl zu messen, misst eine Meßeinheit Änderungen
des magnetischen Flusses und leitet drahtlos ein entsprechendes Signal
zu einer Basisstation oder einer Steuereinheit zurück.
Die vorliegende Sensorkomponente umfasst eine Batterie oder eine
andere Art von Energie- oder Stromquelle, die im allgemeinen relativ
wenig Strom liefert, wie z. B. aus einer Versorgung mit niedriger Spannung.
Weiterhin kann eine sogenannte ECU-Komponente die Sensorkomponente
anweisen, in einen Schlafmodus überzugehen, um Batteriestrom
zu sparen, da das Fahrzeug angehalten sein kann. Aus
US 2004/0150516 A1 ist
ein drahtloses Drehzahlfühlersystem bekannt, bei dem notwendige Energie
erzeugt und/oder abgespeichert wird, um den drahtlosen Drehzahlfühler
zu versorgen. Dabei ist ein Energiemanagement vorgesehen, dass einen Generator
für die Energieerzeugung verwendet, der die Rotation des
Fahrzeugrades für die Energieerzeugung ausnutzt. Als Speichergeräte
dienen eine Hocheffizienz-wiederaufladbare Batterie oder ein Superkondensator.
Als Generator kann ein sogenannter mulitpolarer Rotationsgenerator
verwendet werden. Das Senderelement kann in einen Schlafmodus oder inaktiv
geschaltet werden, bis das Steuergerät über sein
Sendermodul den Sensor aufweckt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Sensormodul für ein Fahrzeugsicherheitssystem
bzw. das entsprechende Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensormoduls
haben demgegenüber den Vorteil, dass die gleiche Vorrichtung,
mit der induktiv das Sensorsignal erzeugt wird, auch induktiv die
Energie erzeugt wird. Diese Mehrfachnutzung von Komponenten mit
dieser Vorrichtung sorgt für einen kompakten Aufbau, so dass
das Sensormodul sehr klein gestaltet werden kann. Damit ist der
zur Verfügung zu stellende Einbauraum erheblich reduziert.
Dies führt letztlich zu einer Kostenreduktion. Außerdem
kann die Verwendung von Permanentmagneten, wie sie bei passiven Drehzahlfühlern üblich
ist, wegfallen, und es ist dadurch ein Einsatz von Multipolencodern
möglich. Durch eine größere Zahl von
Polpaaren auf diesem Encoder kann die Änderung des magnetischen
Flusses pro Zeit erhöht werden. Damit vergrößern
sich die Ortsauflösung und auch die induzierte Spannung.
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Unter
einem Sensormodul ist vorliegend eine bauliche Einheit wie ein Drehzahlfühler
oder ein Beschleunigungssensor oder Drehratensensor oder Luftdrucksensor
oder Körperschallsensor zu verstehen. Dem Sensormodul können
insbesondere noch Komponenten wie ein Stahlrad oder ein Multipolencoder
zugeordnet sein. Das Sensormodul kann dabei das eigentliche Sensorelement
aufweisen, bei dem vorliegend beispielsweise der Halleffekt der
anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR) und der Riesenmagnetowiderstand
(GMR-Effekt) Verwendung finden können. Neben dem Sensorelement
ist üblicher Weise auch noch ein ASIC, ein anwendungsspezifischer
integrierter Schaltkreis, vorhanden, der eine Vorverarbeitung der
Sensorsignale durchführt. Das Sensormodul ist dabei eine
abgeschlossene bauliche Einheit. Lediglich Verbindungsmittel zum
Einbauort sind vorgesehen.
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Bei
dem Fahrzeugsicherheitssystem handelt es sich beispielsweise um
eine Fahrdynamikregelung, ein Bremssystem und/oder ein Airbagsystem.
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Bei
dem Sender zu drahtlosen Versendung von Daten in Abhängigkeit
von dem Sensorsignal handelt es sich zumindest um einen Funksender,
der beispielsweise mit hoher Frequenzspreizung wie DSSS: Direct
Sequence Spread Spectrum oder ein kontinuierliches Wechseln der
Sendefrequenz (FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum) verwenden
kann. Auch eine sogenannte RFID also eine Transpondertechnologie
kann vorliegend verwendet werden. Dabei kann die Energieversorgung
auch über emittierte elektromagnetische Wellen erfolgen, wobei
in einer Antennenspule im Sensormodul der induzierte Strom gleichgerichtet
wird und einen Energiespeicher auflädt. Der Energiespeicher
versorgt für den Lesevorgang den Chip für den
Strom oder kann nur für die Versorgung des Mikrochips verwendet werden.
Die Signalaussendung erfolgt direkt vom Sender in einem Steuergerät
oder von einem externen Sender an den Sensor. Der RFID-Tag moduliert die
elektromagnetische Welle und überträgt so die
Informationen.
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Bei
den Daten handelt es sich beispielsweise um Datentelegramme, in
denen die eigentlichen Sensorwerte untergebracht sind. Das Sensorsignal
repräsentiert die Sensorwerte, die das Sensorelement abgibt.
Dabei kann es sich auch um einen Multiplex von Sensorsignalen handeln.
Dieses Datentelegramm kann neben den Nutzdaten, beispielsweise den
Sensorwerten, auch weitere Daten wie Identifikationsdaten oder zusätzliche
Daten zur Fehlerkorrektur aufweisen,
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Bei
der Vorrichtung handelt es sich wie aus einem abhängigen
Anspruch hervorgeht beispielsweise um eine Spule. Diese Spule kann
die verschiedensten Strukturen aufweisen. Insbesondere kann sie
auch auf einem Mikrochip durch Strukturierung hergestellt sein.
Die Vorrichtung hat die Eigenschaft, dass sie gleichzeitig das Sensorsignal
und die Energie für das Sensormodul erzeugt.
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Mit
dem Betreiben des Sensormoduls ist die Inbetriebnahme des Sensormoduls
gemeint.
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Induktiv
ist vorliegend die Erfassung der Änderung des magnetischen
Flusses nach dem Induktionsgesetz.
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In
den abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen
und Verbesserungen der in den unabhängigen Patentansprüchen
angegebenen Sendermodul bzw. Verfahren zum Betreiben eines solchen
Sensormoduls für ein Fahrzeugsicherheitssystem angeben.
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Als
vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass die Vorrichtung wenigstens
eine Spule aufweist. Insbesondere kann die Vorrichtung nur eine
Spule aufweisen.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, dass die Vorrichtung derart konfiguriert
ist, dass die Energie und das Sensorsignal durch die Induktion durch
eine Linearbewegung oder eine Rotationsbewegung erzeugt werden.
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Die
Rotationsbewegung kann beispielsweise bei Drehzahlfühlern
durch ein rotierendes Stahlrad oder einen Multipolencoder realisiert
sein, der als Scheibe ausgebildet ist.
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Es
ist weiterhin von Vorteil, dass das Sensormodul als einen Energiespeicher
für die Energie wenigstens einen Kondensator aufweist,
der wird eingesetzt, um das Bauteil vor der Einstrahlung von elektromagnetischen
Wellen (transiente Störungen) zu schützen. Gleichzeitig
wird auch die Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen gedämpft.
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Es
ist weiterhin von Vorteil, dass das Sensormodul einen Multipolencoder
mit mehr als 48 Polpaaren aufweist. Dies ist durch die vorliegende
Konfiguration mit der drahtlosen Übertragung der Daten leicht
möglich und ermöglicht eine hohe Induktionsspannung
bzw. hohe Ortsauflösung.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, dass das Sensormodul für einen Low-Power-
und eine High-Power-Modus konfiguriert ist, wobei das Sensormodul einen
Umschalter aufweist, der in Abhängigkeit von einer Fahrzeuggröße
und/oder einem Ereignis zwischen dem Low-Power- und dem High-Power-Modus umschaltet.
Mit dem Low-Power-Modus ist ein Zustand gemeint, in dem das Sensormodul
nur wenig Energie verbraucht, während der High-Power-Modus entsprechend
mehr Energie verbraucht, d. h. der High-Power-Modus verbraucht mehr
Energie als der Low-Power-Modus.
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Der
Umschalter kann üblicher Weise softwaremäßig
aber auch elektronisch oder mechanisch ausgebildet sein. Die Einwirkung
auf diesen Umschalter erfolgt in Abhängigkeit von einer
Fahrzeuggröße, die beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit
und/oder einem Ereignis wie beispielsweise ein Radzustand wie ein
Schlupf oder blockierende Räder. Durch die ereignisabhängige
Ansteuerung des Umschalters erfolgt eine Abhängigkeit von
einer Regel. Insbesondere kann damit die Datenübertragungsrate
des Senders fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig oder regelbasiert
erfolgen. Im ersten Fall werden bei niedriger Geschwindigkeit die
Daten in einem Mikrocontroller oder einem anderen Prozessor oder
Auswerteschaltung in einer niedrigen Taktfrequenz verarbeitet und
mit einer niedrigen Datenrate vom Sensormodul an ein Steuergerät
gesendet, bei hoher Geschwindigkeit ist dies umgekehrt. Bei der
ereignisgesteuerten Ansteuerung des Umschalters ist die Taktfrequenz
für die Datenverarbeitung im Mikrocontroller und die Datenübertragungsrate
bei normalem Betrieb niedrig. Es erfolgt nur eine Basisüberwachung
im Low-Power-Modus in einem vorgegebenen Zeitraster. Bei Bedarf
wie einem Schlupf oder dem Blockieren der Räder werden
die Signale mit einer hohen Taktfrequenz im Mikrocontroller verarbeitet und
mit einer hohen Datenrate der Geschwindigkeitsradient und/oder der
der Absolutgeschwindigkeit übertragen. Die geschwindigkeitsabhängige
oder regelbasierte Signalübertragung kann natürlich
kombiniert werden.
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Vorteilhafter
Weise weist das Sensormodul ein Energiemanagement mit diesem Schalter
auf, das auf einem integrierten Schaltkreis angeordnet ist, auf
dem auch eine Vorverarbeitung des Sensorsignals vorgesehen ist.
Damit können diese Funktionen auf einem ASIC miteinander
integriert werden und es kann eine besonders kostengünstige
kompakte Herstellung gewählt werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
Blockschaltbild eines Fahrzeugsicherheitssystems,
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2 eine
erste Ausführungsform eines Drehzahlfühlers,
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3 eine
zweite Ausführungsform eines Drehzahlfühlers,
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4 ein
Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Sensormoduls
und eines Steuergeräts,
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5 ein
Schaltungsteil des Sensormoduls bezüglich der Energieerzeugung
und Sensorsignalerzeugung,
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6 ein
Blockschaltbild des Senders und
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7 ein
Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
in einem Blockschaltbild ein Fahrzeugsicherheitssystem in einem
Fahrzeug FZ mit vier Drehzahlfühlern WSS1 bis 4, einem
Steuergerät für die Fahrdynamikregelung ESP und
einer vom ESP-Steuergerät ESP-angesteuerten Aktuatorik AKT.
Die Drehzahlfühler WSS1 bis 4 sind über eine Funkübertragung
mit dem Steuergerät ESP verbunden, so dass die Drehzahlfühler
WSS1 bis 4 jeweils Antennen A1 bis A4 aufweisen, um ihre Daten an
das Steuergerät ESP zu übertragen, wobei das Steuergerät
ESP zum Empfang dieser Daten die Antenne A5 aufweist. Damit weist
zumindest jeder Drehzahlfühler WSS1 bis 4 ein Sendemodul
auf um beispielsweise im Frequenzspreizverfahren Daten an das Steuergerät
ESP zu übertragen wobei das Steuergerät ESP zumindest
eine Empfängereinrichtung aufweist, um diese Signale korrekt
empfangen und demodulieren zu können. Es ist möglich,
dass die Funkverbindung zwischen den Drehzahlfühlern WSS1
bis 4 und dem Steuergerät ESP unidirektional von den Drehzahlfühlern
zum Steuergerät ESP oder auch bidirektional ausgeführt
sein kann. Auch ein Broadcastmodus ist möglich. Damit ist
gemeint, dass ein Sensor Daten an alle versendet, ohne einen spezifischen
Empfänger zu adressieren, wie es bei Rundfunkübertragungen üblich
ist.
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Es
ist auch möglich, dass die Drehzahlfühler ihre
Daten an ein anderes Gerät übertragen, beispielsweise
einen weiteren Sensor, der dann über eine Kabelverbindung
mit dem Steuergerät ESP verbunden ist und so diesen zweiten
Teil dann über eine kabelgebundene Übertragung
der Daten ausführt. Das Steuergerät ESP steuert
in Abhängigkeit von diesem Sensor und weiteren Sensorsignalen
die Aktuatorik AKT an, beispielsweise Bremsen. Neben den vorliegend
dargestellten Drehzahlfühlern WSS1 bis 4 sind auch andere
Sensoren für Fahrzeugsicherheitssysteme wie Crashsensoren
also beispielsweise Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren,
Kraftsensoren, Körperschallsensoren, Luftdrucksensoren und
auch Umfeldsensoren wie Video, Radar, Lidar oder Ultraschall drahtlos
mit einem Steuergerät verknüpfbar.
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2 zeigt
die Funktionsweise eines aktiven Drehzahlfühlers, der zum
Betrieb an eine Spannungsquelle mit an die Energiequelle angeschlossen wird.
Die Sensoren detektieren die Änderung der magnetischen
Flussdichte. Vorliegend ist als Sensorelement 22 beispielsweise
ein Hallsensor vorgesehen, der die Änderung der magnetischen
Flussdichte des Stahlrads 20 misst. Zusätzlich
ist noch ein Magnet 21 vorgesehen, der durch das sich drehende
Stahlrad in seinem Magnetfeld geändert wird. Das resultierende Signal
ist einem Sinussignal 23, das an das Steuergerät
ECU zur weiteren Verarbeitung weitergeleitet wird.
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Eine
weitere Ausführungsform von Drehzahlfühlern ist
in 3 dargestellt. Hier ist ein Multipolencoder 30 als
Rad vorgesehen mit sich ändernden magnetischen Polen. Die
Umdrehung dieses Rads bewirkt eine Änderung des magnetischen
Flusses beim Sensorelement 31. Die Signale des Sensorelements werden
von einem ASIC ausgewertet und dann als digitale Signale an ein
Steuergerät ECU übertragen. Diese digitalen Signale
sind mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnet.
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Bekannte
Prinzipien sind der Halleffekt, der anisotrope magnetoresisitive
Effekt und der Riesenmagnetowiderstand (GMR-Effekt). Das Signal
wird vom ASIC aufbereitet und liefert ein Signal mit bewegungsunabhängiger
konstanter Amplitude, das ebenfalls für jeden Sensor kontinuierlich über
Funk an das Steuergerät übertragen und dort in
einem Mikrocontroller weiter verarbeitet wird.
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4 zeigt
in einem Blockschaltbild das erfindungsgemäße
Sensormodul bezeichnet mit den Bezugszeichen 40 bis 45 und
das Steuergerät ECU. Das erfindungsgemäße
Sensormodul weist eine einzige Vorrichtung 40 zur gleichzeitigen
Erzeugung des Sensorsignals und der Energie. Über ein Energiemanagement 41,
das auf einem ASIC üblicher Weise angeordnet wird, erfolgt
die Speicherung der Energie in einem Energiespeicher 42 beispielsweise
einem Kondensator, der auch für EMV (elektromagnetische Verträglichkeit)
verwendet wird. Das Sensorsignal wird an einen Digital-Analogwandler
innerhalb oder außerhalb eines Mikrocontrollers 43 übertragen.
Der Mikrocontroller 43 speichert die Sensorsignale in einem
Ringpuffer 44 ab und überträgt die Daten
aus dem Ringpuffer über einen Transceiver 45 über Funksignale
an einen weiteren Transceiver 46 des Steuergeräts
ECU, wenn Fahrzeuggrößen wie die Fahrzeuggeschwindigkeit
und/oder Ereignisse wie ein Blockieren der Räder oder ein
Schlupf dies anzeigen. Diese Daten können entweder aus
dem Sensorsignal selbst oder vom Steuergerät ECU gewonnen werden.
Dafür ist vorliegend der Funkverkehr auch bidirektional
ausgestaltet. Der ASIC formt aus dem Sensorsignal ein geschwindigkeitsabhängiges
Spannungssignal, das digital bereits im Sensormodul verarbeitet
wird. Der Mikrocontroller 43 kann dabei das Sensorsignal
in steuergerätespezifes Signal umwandeln, es bewerten und
speichert die Daten kontinuierlich in dem Ringspeicher ab. Die gespeicherten
Daten stehen im Regelfall z. B. bei einer unzulässigen Geschwindigkeitsänderung
dann zur Verfügung und werden an den Transceiver 45 weitergeleitet,
um sie an das Steuergerät ECU zu übertragen. Die
Umwandlung im ASIC oder im Mikrocontroller in ein digitales Geschwindigkeits-
oder Beschleunigungssignal ermöglicht die leichte Weiterverarbeitung.
Dieses Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssignal kann entweder
direkt an das Steuergerät ECU mit dem Transmitter 45 oder
Transceiver in festen diskreten Zeitabständen an das Steuergerät
ECU übertragen werden oder das Signal wird vorher im Mikrocontroller
weiterverarbeitet und bewertet. Hier kann dann die oben beschriebene
geschwindigkeitsabhängige oder regelbasierte Datenübertragungsrate
des Transceivers 45 eingestellt werden.
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5 visualisert
einen erfindungsgemäßen Ausschnitt des Sensormoduls.
Eine Spule SP ist an einen ASIC zum einen für die Sensorverarbeitung
PP und zum anderen zur Energieerzeugung EE angeschlossen. Die Energieversorgung
EE kann insbesondere einen Kondensator C oder auch andere Kondensatoren
oder Energiespeicher aufladen. Das von der Sensorsignalvorverarbeitung
PP aufbereitete Sensorsignal wird an den Transceiver TX übertragen, der über
die Antenne AT die Daten in Abhängigkeit von dem Sensorsignal
abstrahlt.
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Eine
mögliche Ausführung des Transceivers TX ist in 6 dargestellt.
Das digitale Signal kann in ein analoges Signal zunächst
umgewandelt werden, um es zu verstärken und dann zu modulieren
beispielsweise über eine Frequenzspreizung oder auch Frequency
Hopping. Die Modulation MOD kann auch bereits im Digitalen erfolgen
und es kann noch ein Verstärker nach der Modulation eingesetzt
werden. Umgekehrt ist die Empfängerstruktur ausgestaltet: Nach
einer Empfangsantenne folgt meist ein Frequenzumsetzer, ein Verstärker
und Filter sowie eine digitale Signalverarbeitung.
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7 zeigt
in einem Flussdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren.
Im Verfahrensschritt 700 erfolgt die gleichzeitige Sensorsignal-
und Energieerzeugung beispielsweise mit der Spule SP. Das Sensorsignal
wird im Verfahrensschritt 701 vorverarbeitet und liefert
beispielsweise Parameter, die das Energiemanagement in Verfahrensschritt 702 benötigt
um zu entscheiden, ob zwischen einem Low-Power- und einem High-Power-Mode
des Sensormoduls umgeschaltet werden muss. Das vorverarbeite Sensorsignal
wird den Verfahrensschritt 704 für die Übertragung
vorbereitet und in Verfahrensschritt 705 versendet. Die
Vorbereitung für die Übertragung ist beispielweise
die Gestaltung des Datentelegramms. Das Energiemanagement entscheidet
in Verfahrensschritt 703, wieviel Energie bereitzustellen
ist also High-Power- oder Low-Power-Modus bzw. welcher Verbrauch
eingestellt werden kann durch die Taktrate der Verarbeitung bzw. Übertragungsrate
der Versendung über den Sender TX.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 112006003053
T5 [0002]
- - US 2004/0150516 A1 [0002]