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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur drahtlosen Signalübertragung
und im Besonderen eine Anordnung, bei der eine Sendeeinheit ein
pulsweitenmoduliertes Sendesignal optimierter Sendebandbreite ohne
störende
Oberwellen erzeugt und eine Empfangseinheit das Sendesignal mit
einer auf die Sendebandbreite optimierten Empfangsbandbreite empfängt.
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Anordnungen
zur drahtlosen Signalübertragung
sind zum Beispiel aus Fahrzeugen bekannt, bei denen eine im oder
am Fahrzeug angebrachte Sendeeinheit Signale drahtlos an eine mobile
Empfangseinheit, zum Beispiel einen Transponder überträgt. Ein solcher Transponder
kann dabei die Funktion eines Schlüssels für Zugang und Start eines Fahrzeugs
umfassen. Bei Transpondern handelt es sich um Kommunikationsanordnungen,
die eingehende Signale aufnehmen und automatisch beantworten. Eingehende
Signale werden dabei auch als Transponderanregungssignale bezeichnet,
ausgehende Signale als Transponderantwortsignale. Die Übertragung
der Signale zu und von Transpondern erfolgt dabei beispielsweise
drahtlos von und zu einer oder mehreren entsprechenden Sendeeinheiten.
Solche Sendeeinheiten können
dabei stationär,
zum Beispiel an einem Gebäude,
oder quasistationär,
zum Beispiel in einem Flugzeug, einem Wasserfahrzeug oder einem
Kraftfahrzeug angeordnet sein.
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In
einer Vielzahl von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, wird
bereits heute eine Vielzahl von Funktionen über mobile, von Benutzern mitgeführte Transponder
ausgelöst
oder gesteuert. Für den
Fahrzeugzugang sind dies so genannte „Remote Keyless Entry” Systeme
(kurz: RKE-Systeme), wie sie zum Beispiel zur Zentralverriegelung
verwendet werden. RKE-Systeme
sind inzwischen die Standardlösung
nicht nur für
komfortables Ver- und Entriegeln eines Fahrzeuges, sondern auch
für weitere Komfortfunktionen,
die neben dem Ver- und Entriegeln der Türen und des Kofferraums auch
zum Aktivieren und Deaktivieren der Wegfahrsperre verwendet werden.
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Ein
weiteres Transponder-basiertes System ist das so genannte PASE-System.
PASS steht dabei für
PAsive Start and Entry und beschreibt ein schlüsselloses Zugangs- und Startsystem.
Bei diesem schlüssellosen
Fahrzeugzugangssystem muss der Fahrer lediglich einen Identifikationsgeber
(Transponder) mit sich führen.
Die quasistationären
Sendeeinheiten suchen durch zyklisches Aussenden von Transponderanregungssignalen
nach der Präsenz von
zugehörigen
Transpondern und ein berechtigter Benutzer erhält Zugang zum Fahrzeug, wenn
er sich im Wirkungsbereich einer oder mehrerer quasistationärer, im
und/oder am Fahrzeug angeordneter Sendeeinheiten befindet. Dabei
besteht üblicherweise auch
die Möglichkeit
der Personalisierung der Transponder für ausgewählte Personen.
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Bei
Transpondern, die auf Basis elektromagnetischer Kopplung mit einem
elektromagnetischen Feld wirken, wird dieses elektromagnetische
Feld üblicherweise
in die Spule eines im Transponder angeordneten Schwingkreises eingekoppelt.
Dadurch wird der Transponderschwingkreis zum Schwingen angeregt,
wodurch eine bestimmte elektrische Spannung in diesem Transponderschwingkreis
erzeugt wird. Ein solcher Schwingkreis ist üblicherweise Teil eine im Transponder
angeordneten Empfangseinheit. Durch geeignete Modulation können Informationen
von der Sendeeinheit an die Empfangseinheit übertragen werden, die diese
durch entsprechende Demodulation des elektromagnetischen Feldes
auswerten kann. Ein übliches
Verfahren ist da bei die so genannte Pulsweitenmodulation einer Trägerfrequenz
von zum Beispiel 125 kHz.
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Nachteilig
wirkt sich dabei aus, dass die Pulsweitenmodulation ein Signal mit
entsprechend breitem Frequenzspektrum bewirkt. Auf Grund bestehender
Bestimmungen für
die drahtlose Signalübertragung
im Funkfrequenzbereich dürfen
jedoch vorgegebene Grenzwerte für
die Seitenbänder
und Oberwellenanteile eines Trägers
nicht überschritten werden.
Gleichzeitig ist es erwünscht,
dass die zulässige
Bandbreite der Anordnung optimal zur Informationsübertragung
ausgenutzt wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur drahtlosen
Signalübertragung anzugeben,
bei der beides erfüllt
wird.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Anordnung zur drahtlosen Signalübertragung gemäß Anspruch
1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind
Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die
Aufgabe wird insbesondere gelöst
durch eine Anordnung, bei der in der Sendeeinheit einem Sendeschwingkreis
ein Vorfilter vorgeschaltet wird um die effektive Sendebandbreite
zu erhöhen
und ein Empfangsschwingkreis in der Empfangseinheit mindestens eine
der Sendebandbreite entsprechende Empfangsbandbreite aufweist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert, wobei
gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
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1 in
einem Bockschaltbild eine Anordnung mit einer Sendeeinheit und einer
Empfangseinheit nach dem Stand der Technik;
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2 in
einem Bockschaltbild eine Anordnung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
einer Sendeeinheit mit Vorfilter und einer Empfangseinheit;
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3 in
einem Diagramm die Sendebandbreiten der Sendeeinheit gemäß 1 und
der Sendeeinheit gemäß 2 im
Vergleich;
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4 in
einem Diagramm zeitliche Verläufe empfangenen
pulsweitenmodulierter Sendesignale der Sendeeinheiten gemäß 1 und 2;
und
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5 in
einem Diagramm die Anordnung von Sende- und Empfangseinheit in einem
schlüssellosen
Zugangs- und/oder
Startsystem für
ein Fahrzeug.
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1 zeigt
eine Anordnung zur drahtlosen Signalübertragung nach dem Stand der
Technik mit einer Sendeeinheit 10 und einer Empfangseinheit 11. Die
Sendeeinheit 10 weist einen Reihenschwingkreis auf, der
eine Reihenschaltung eines Widerstands 1, einer Induktivität 2 und
einer Kapazität 3 aufweist. Die
Empfangseinheit 11 hat einen Reihenschwingkreis, der eine
Reihenschaltung eines Widerstands 4, einer Induktivität 5 und
einer Kapazität 6 aufweist.
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Die
Sendeeinheit 10 kann zum Beispiel eine in oder an einem
Fahrzeug angeordnete, quasistationäre Sendeeinheit sein. Die Induktivität 2 des
Reihenschwingkreises der Sendeeinheit 10 dient dabei beispielsweise
auch als Sendeantenne. Der Reihenschwingkreis wird durch ein Eingangssignal 17 zum Schwingen angeregt,
wodurch die Induktivität 2 ein entsprechendes
elektromagnetisches Signal 16 abgibt. Ein solches Eingangssignal 17 kann
zum Beispiel ein pulsweitenmoduliertes Signal vorgegebener Trägerfrequenz,
wie zum Beispiel 125 kHz sein. In einem solchen Fall ist die Mittenfrequenz
des Reihenschwingkreises üblicherweise
auf die Frequenz der Trägerfrequenz,
also ebenfalls 125 kHz eingestellt. Die Übertragung drahtloser Signale
von der Sendeeinheit 10 an die Empfangseinheit 11 ist
in 1 schematisch durch einen Pfeil 16 dargestellt.
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Die
Induktivität 5 des
Reihenschwingkreises der Empfangseinheit 11 wirkt beispielsweise
als Empfangsantenne. Dabei ist die Mittenfrequenz des Reihenschwingkreises üblicherweise
auf die Trägerfrequenz
des drahtlos übertragenen
Signals 16 eingestellt, im beschriebenen Beispiel also
125 kHz. Durch das Signal 16 wird in der Induktivität 5 des
Reihenschwingkreises der Empfangseinheit 11 eine Spannung 18 induziert,
die in hier nicht gezeigten, nach geschalteten Einheiten weiterverarbeitet
und ausgewertet werden kann. Die Empfangseinheit 11 kann
zum Beispiel die Empfangseinheit eines mobilen Transponders, also
beispielsweise eines von einem Anwender mitgeführten Funkschlüssels zur Steuerung
von Fahrzeugfunktionen sein. In einer bevorzugten Ausführungsform
können
die Sendeeinheit 10 und die Empfangseinheit 11 Bestandteil
eines schlüssellosen
Zugangs- und/oder Startsystems für ein
Fahrzeug sein.
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Eine
drahtlose Signalübertragung
von der Sendeeinheit 10 zu der Empfangseinheit 11 findet
in Verbindung mit Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich üblicherweise über Funksignale
statt. Eine typische Frequenz für
das Trägersignal
eines solchen modulierten Funksignals ist 125 kHz. Durch die Modulation
des Trägersignals
wird es ermöglicht,
entsprechend codierte In formation zwischen der Sendeeinheit 10 und
der Empfangseinheit 11 zu übertragen.
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Werden
die Sendeeinheit 10 und die Empfangseinheit 11,
wie oben beschrieben, zum Beispiel in einem schlüssellosen Zugangs- und/oder
Startsystem für
ein Fahrzeug eingesetzt, kann die codierte Information zum Beispiel
eine eindeutige Kennung enthalten, um einen Funkschlüssel eindeutig
einem Fahrzeug zuzuordnen und so seine Berechtigung nachzuweisen.
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Ein übliches
Verfahren zur Modulation des Trägersignals
einer Funkübertragungsstrecke
ist die so genannte Pulsweitenmodulation, bei der ein Trägersignal
mit Folgen von Rechtecksignalen unterschiedlicher Dauer moduliert
wird. Ein hierdurch entstehendes Sendesignal weist zum Beispiel
eine auf das Trägersignal
aufmodulierte Bitfolge zum Zwecke der Informationsübertragung
auf. Eine rechteckförmige
Modulation eines Trägersignals,
wie zum Beispiel bei einer Pulsweitenmodulation, hat jedoch ein
entsprechend breites Frequenzspektrum des daraus resultierenden
Signals zur Folge.
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Auf
Grund bestehender Zulassungsbestimmungen für Anordnungen zur drahtlosen
Signalübertragung
im Funkfrequenzbereich dürfen
jedoch vorgegebene Grenzwerte für
die Seitenbänder
und Oberwellenanteile eines Trägersignals
nicht überschritten
werden. Gleichzeitig ist es jedoch erwünscht, dass die Bandbreite
der Sendeeinheit optimal auf die gewünschte Informationsübertragung
angepasst ist. Dies heißt
im vorliegenden Fall, dass eine möglichst große Bandbreite bei der Signalübertragung
gewünscht
ist, aber dennoch die Bestimmungen für die Zulassung von Anordnungen
zur drahtlosen Signalübertragung
im Funkfrequenzbereich eingehalten werden.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung
mit wiederum einer Sendeeinheit 10 und einer zugehörigen Empfangseinheit 11.
Die Sendeeinheit 10 umfasst jedoch zwei Reihenschwingkreise,
von denen ein erster Reihenschwingkreis, der den Eingangskreis bildet,
eine Reihenschaltung eines Widerstands 7, einer Induktivität 8 und
einer Kapazität 9 umfasst.
Ein zweiter Reihenschwingkreis, der einen Widerstand 1,
eine Induktivität 2 und
eine Kapazität 3 aufweist,
ist der Kapazität 9 des
ersten Reihenschwingkreises parallel geschaltet. Die Induktivität 2 des
zweiten Reihenschwingkreises in der Sendeeinheit 10 wirkt
dabei wiederum als Sendeantenne. Die Empfangseinheit 11 hat
ebenfalls einen Reihenschwingkreis, welcher eine Reihenschaltung
eines Widerstands 4, einer Induktivität 5 und einer Kapazität 6 aufweist.
Die Induktivität 5 des
Reihenschwingkreises der Empfangseinheit 11 wirkt wiederum
als Empfangsantenne für
die Signalübertragung.
Die Übertragung
drahtloser Signale von der Sendeeinheit 10 an die Empfangseinheit 11 ist
in 2 schematisch durch einen Pfeil dargestellt.
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Der
erste und der zweite Reihenschwingkreis werden durch ein Eingangssignal 17 zum Schwingen
angeregt, wodurch die Induktivität 2 ein elektromagnetisches
Signal 16 abgibt. Ein solches Eingangssignal 17 kann
zum Beispiel ein pulsweitenmoduliertes Signal vorgegebener Trägerfrequenz, wie
zum Beispiel 125 kHz sein. Die Übertragung drahtloser
Signale von der Sendeeinheit 10 an die Empfangseinheit 11 ist
in 1 schematisch durch einen Pfeil 16 dargestellt.
Durch das Signal 16 wird in der Induktivität 5 des
Reihenschwingkreises der Empfangseinheit 11 eine Spannung 18 induziert,
die in hier nicht gezeigten, nach geschalteten Einheiten weiterverarbeitet
und ausgewertet werden kann.
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Durch
Kombination des ersten und zweiten Reihenschwingkreises wird erreicht,
dass im verwendeten Frequenzbereich (hier zum Beispiel um 125 kHz)
vorgegebene Grenzwerte für
Seitenbänder
und Oberwellenanteile eines Trägers
nicht überschritten werden,
jedoch durch Kombination des ersten und des zweiten Reihenschwingkreises
die verfügbare Bandbreite
der Sendeeinheit gegenüber
dem Stand der Technik erweitert wird. Dies ist insbesondere von Bedeutung,
um zum Beispiel ein rechteckförmig
moduliertes Signal, wie etwa ein pulsweitenmoduliertes Trägersignal,
möglichst
wenig bei der Übertragung zu
verändern.
Dabei ist die beschriebene Filterung des Sendesignals auf das verwendete
Trägersignal abgestimmt.
Für ein
Trägersignal
mit der Frequenz von 125 kHz bedeutet dies, dass die Reihenschwingkreise
der Sendeeinheit 10 im Wesentlichen auf eine Resonanzfrequenz
von 125 kHz abgestimmt sind. Die erhöhte Sendebandbreite bewirkt
außerdem, dass
bei gleicher Sendeleistung eine erhöhte Reichweite für die drahtlose
Signalübertragung
erzielt werden kann. Umgekehrt könnte
entsprechend beispielsweise bei gleichbleibender Bandbreite die
Sendeleistung deutlich reduziert bzw. die Reichweite erhöht werden.
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Um
den optimalen Informationsgehalt im Sendesignal übertragen zu können, wird üblicherweise
die Empfangsbandbreite des Reihenschwingkreises der Empfangseinheit
so gewählt,
dass sie mindestens der Sendebandbreite entspricht. Dies wird, wie
bei der Sendeeinheit 10, durch entsprechende Dimensionierung
von Widerstand 4, Induktivität 5 und Kapazität 6 des
Reihenschwingkreises der Empfangseinheit 11 erreicht. Dabei
ist die Mittenfrequenz des Reihenschwingkreises der Empfangseinheit 11 üblicherweise
auf die Trägerfrequenz
des drahtlos übertragenen
Signals 16 eingestellt, im beschriebenen Beispiel also
auf 125 kHz.
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3 zeigt
in einem Diagramm die Übertragungsfunktionen
der Sendeeinheiten gemäß 1 und 2 als
Amplitudenverlauf über
der Frequenz. Dabei ist an der Abszisse die Frequenz in kHz aufgetragen
und die Ordinate bezeichnet den Amplitudenpegel in dB. In 3 ist
die Übertragungsfunktion
der Sendeeinheit 10 nach dem Stand der Technik (1) mit 12 und
mit 13 ist die Übertragungsfunktion
der erfindungsgemäßen Sendeeinheit 10 mit
Vorfilter (2) bezeichnet. Die zugehörigen Filterschaltungen
und somit auch deren Übertragungsfunktionen sind
auf eine Mittenfrequenz von 125 kHz bezogen, wie auch aus der Lage
des Punktes der Übertragungsfunktionen
mit 0 dB Dämpfung
(Mittenfrequenz der Bandpassfilter) zu ersehen ist.
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Dabei
ergibt sich die bei 3 dB Signaldämpfung
der Übertragungsfunktion
gemessene Bandbreite der Sendeeinheit 10 nach dem Stand
der Technik im vorliegenden Beispiel zu 10,35 kHz. Die Bandbreite
der Sendeeinheit 10 gemäß 2 ergibt
sich im vorliegenden Beispiel zu 17,95 kHz. Dabei verläuft die
aus den zwei Reihenschwingkreisen gemäß 2 resultierende Übertragungsfunktion 13 zu
tiefen und hohen Frequenzen hin steiler als die Übertragungsfunktion 12 (Sendeeinheit 10 gemäß 1). Somit
wird eine erweiterte Sendebandbreite bei gleichzeitig hoher Bedämpfung von
Seitenbändern und
Oberwellen durch die Ausführungsform
der Sendeeinheit 10 gemäß 2 erreicht.
Die Erweiterung der verfügbaren
Sendebandbreite beträgt
im vorliegenden Beispiel etwa 70%.
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4 zeigt
in einem Diagramm die zeitlichen Verläufe von pulsweitenmodulierten,
von der Sendeeinheit 10 gemäß 1 beziehungsweise 2 übertragenen
Signalen, wie sie in der Sendeeinheit 11 gemäß 1 beziehungsweise 2 empfangen werden.
Dabei ist an der Abszisse des Diagramms die Zeit in Millisekunden
aufgetragen, die Ordinate des Diagramms be zeichnet den in der Sendeeinheit 11 gemessenen
Spannungspegel.
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Dabei
ist der Einfluss der unterschiedlichen Sendebandbreiten der Sendeeinheiten 10 gemäß 1 beziehungsweise 2 deutlich
aus den an- beziehungsweise abfallenden Flanken des pulsweitenmodulierten
Signals zu ersehen. Das obere Diagramm in 4 zeigt
den zeitlichen Verlauf des an der Empfangseinheit 11 empfangenen
Signals der Sendeeinheit 10 gemäß 1. Deutlich
ist dabei der durch die relativ geringe Sendebandbreite bewirkte langsame
zeitliche Anstieg beziehungsweise Abfall der Flanken des rechteckförmig pulsweitenmodulierten
Sendesignals zu erkennen.
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Demgegenüber zeigt
der zeitliche Verlauf des empfangenen Sendesignals der Sendeeinheit 11 gemäß 2 im
unteren Diagramm in 4 erwartungsgemäß einen
deutlich schnelleren zeitlichen Anstieg beziehungsweise Abfall der
Flanken des rechteckförmig
pulsweitenmodulierten Sendesignals, der durch die gegenüber der
Ausführungsform
gemäß 1 erhöhte Sendebandbreite
bewirkt wird.
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Um
die Vorteile der erhöhten
Sendebandbreite voll zu nutzen, wird in diesem Fall die Empfangsbandbreite
der Empfangseinheit 11 beziehungsweise des entsprechenden
Reihenschwingkreises der Empfangseinheit 11 so gewählt, dass
sie an die Sendebandbreite angepasst ist, zum Beispiel mindestens
der Sendebandbreite entspricht. Gleichzeitig wird die Mittenfrequenz
des Reihenschwingkreises der Empfangseinheit 11 vorteilhaft
auf die Trägerfrequenz
des drahtlos übertragenen
Signals 16 eingestellt, im beschriebenen Beispiel also
auf 125 kHz.
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5 zeigt
in einem Diagramm die beispielhafte Anordnung der Sendeeinheit 10 und
der Empfangseinheit 11 in Verbindung mit einem schlüssellosen
Zugangs- und/oder Startsystem für
ein Fahrzeug. 5 zeigt ein Fahrzeug 14 und
eine quasistationär
im oder am Fahrzeug angeordnete Sendeeinheit 10. 5 zeigt
weiterhin einen beispielhaften mobilen Schlüssel 15 eines schlüssellosen
Zugangs- und/oder Startsystem für
ein Fahrzeug, der eine Empfangseinheit 11 aufweist. Wie
in 2 beschrieben, sendet die Sendeeinheit 10 Signale 16 drahtlos zu
der im mobilen Schlüssel 15 angeordneten
Empfangseinheit 11. Wie von schlüssellosen Zugangs- und/oder
Startsystemen für
Fahrzeuge bekannt, können
solche Signale 16 kodiert sein und bestimmte Informationen
aufweisen.
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Wie
weiter oben beschrieben, wird durch die Anordnung in der Ausführungsform
gemäß 2 eine
Erweiterung der verfügbaren
Sendebandbreite für
das Signal 16 erreicht. Diese Erweiterung der verfügbaren Sendebandbreite
beträgt
im beschriebenen Beispiel etwa 70%. Auf Grund dieser erhöhten Sendebandbreite
wird bei sonst gleicher Sendeleistung eine erhöhte Reichweite der drahtlos
gesendeten Signale 16 erzielt. Im beschriebenen Beispiel
wird dabei der Abstand zwischen der Sendeeinheit 10 und der
Empfangseinheit 11, bei dem eine Übertragung des Signals 16 zuverlässig erfolgt,
um etwa 30% erhöht.
Dies bedeutet auch, dass die Sendeleistung vorteilhaft entsprechend
reduziert werden kann und gleichzeitig eine Reichweite einer Anordnung
nach dem Stand der Technik beibehalten werden kann. Als Folge davon
lässt sich
eine entsprechende Anordnung kostengünstiger herstellen. Ein weiterer
Vorteil der erhöhten
Sendebandbreite kann auch darin bestehen, dass die Fertigungstoleranzen
für die
Sende- und der Empfangseinheit, zum Beispiel die Fertigungstoleranzen
der darin angeordneten Sende- und Empfangsantennen, erhöht werden
können.
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- 1
- Widerstand
- 2
- Induktivität
- 3
- Kapazität
- 4
- Widerstand
- 5
- Induktivität
- 6
- Kapazität
- 7
- Widerstand
- 8
- Induktivität
- 9
- Kapazität
- 10
- Sendeeinheit
- 11
- Empfangseinheit
- 12
- Übertragungsfunktion
- 13
- Übertragungsfunktion
- 14
- Fahrzeug
- 15
- Schlüssel
- 16
- drahtlos übertragenes
Signal
- 17
- Eingangssignal
- 18
- Spannung