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Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung beziehen sich auf RFID-Kommunikationssysteme und insbesondere auf einen passiven RFID-Transponder, ein RFID-Lesegerät, ein Verfahren zum Bereitstellen eines amplitudenmodulierten, codierten Signals und ein Verfahren zum Bereitstellen eines decodierten, digitalen Datenstroms.
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RFID-Kommunikationssysteme (radio frequency identification, Hochfrequenzidentifikationssysteme) werden in vielen Bereichen, wie z. B. für Sicherheitsanwendungen, für Zugangskontrollen, für Bezahlsysteme oder für Etikettierung und Verfolgung von Gegenständen, verwendet. Dabei werden passive RFID-Transponder in beispielsweise Chipkarten oder Etiketten integriert und mit Hilfe eines RFID-Lesegeräts ausgelesen oder beschrieben. Dabei stellt das RFID-Lesegerät über eine induktive Kopplung die Energie zur Verfügung, die der passive RFID-Transponder benötigt, um Daten zu bearbeiten und zu senden. Durch die schwache Kopplung zwischen der Transponderantenne und der Antenne des Lesegeräts ist das zu detektierende Signal auf der Lesegerätseite deutlich kleiner als das Trägersignal. Das Verhältnis von Trägersignal zu empfangenen Signal bewegt sich beispielsweise im Bereich von 80 dB, was eine große Herausforderung für das Lesegerät darstellt.
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Auf der Seite des passiven RFID-Transponders ist die Herausforderung die Übertragung von Daten mit möglichst geringem Hardwareaufwand und Energieverbrauch durchzuführen und dabei trotzdem möglichst hohe Datenraten zu erreichen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept für RFID-Systeme zu schaffen, das es ermöglicht, hohe Datenraten, einen geringen Energieverbrauch und/oder einen geringen Hardwareaufwand für den Transponder zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen passiven RFID-Transponder gemäß Anspruch 1, 7 oder 8, ein RFID-Lesegerät gemäß Anspruch 9, ein Verfahren zum Bereitstellen eines amplitudenmodulierten, codierten Signals gemäß Anspruch 17 bis 19 oder ein Verfahren zum Bereitstellen eines decodierten digitalen Datenstroms gemäß Anspruch 20 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schafft einen passiven RFID-Transponder, der einen Codierer und einen Modulator umfasst. Der Codierer ist ausgelegt, um basierend auf einem zu sendenden digitalen Datenstrom einen digitalen, codierten Datenstrom zu erzeugen. Dabei umfasst der digitale, codierte Datenstrom zumindest einmal eine Initialisierungsbitsequenz. Die Initialisierungsbitsequenz weist eine maximale Datenfrequenz des digitalen, codierten Datenstroms auf. Des Weiteren ändert der digitale, codierte Datenstrom spätestens nach einer definierten Bitanzahl seinen Wert. Der Modulator ist ausgelegt, um eine Amplitude eines Trägersignals mit dem digitalen, codierten Datenstrom zu modulieren, um ein amplitudenmoduliertes, codiertes Signal bereitzustellen.
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Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung basieren auf dem Kerngedanken, dass ein passiver RFID-Transponder zu sendende Daten codiert und mit dem digitalen codierten Datenstrom das Trägersignal direkt moduliert. Eine zweistufige Modulation unter Verwendung eines Sub-Trägersignals, wie es von bekannten Konzepten verwendet wird, ist dazu nicht notwendig. Dadurch kann einerseits der Aufwand für die Modulation des Trägersignals deutlich reduziert werden, andererseits ist die maximal erreichbare Datenrate der Sendedaten nicht durch eine Frequenz eines Sub-Trägersignals begrenzt. Ein RFID-Lesegerät, das Daten von dem RFID-Transponder empfängt, kann durch eine Auswertung der Initialisierungsbitsequenz die Datenrate der empfangenen Daten bestimmen, da in der Initialisierungsbitsequenz die maximale Datenfrequenz, d. h. eine direkte Aufeinanderfolge von 0, 1, 0, 1, 0, 1 ..., auftritt. Zusätzlich kann eine stabile Synchronisation auf den empfangenen Datenstrom gewährleistet werden, da der codierte Datenstrom spätestens nach einer vordefinierten Bitanzahl seinen Wert ändert.
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Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein RFID-Lesegerät, das einen Empfänger, einen Demodulator und einen Decodierer umfasst. Der Empfänger ist ausgelegt, um ein amplitudenmoduliertes, codiertes Empfangssignal zu empfangen. Des Weiteren ist der Demodulator ausgelegt, um das amplitudenmodulierte, codierte Empfangssignal basierend auf einem von dem RFID-Lesegerät erzeugten Trägersignal zu demodulieren, um einen digitalen, codierten Datenstrom zu erhalten. Ferner ist der Decodierer ausgelegt, um eine maximale Datenfrequenz des digitalen, codierten Datenstroms zu bestimmen und basierend auf der bestimmten maximalen Datenfrequenz einen codierten, digitalen Datenstrom bereitzustellen.
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Das RFID-Lesegerät kann die empfangenen Daten rekonstruieren, obwohl der codierte Datenstrom direkt auf das Trägersignal moduliert ist, da es eine maximale Datenfrequenz bestimmen kann und daher die Datenrate der empfangenen Daten bekannt ist.
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Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines passiven RFID-Transponders;
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2 eine schematische Darstellung eines digitalen, codierten Datenstroms;
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3 eine schematische Darstellung der direkten Modulation eines Trägersignals durch den digitalen, codierten Datenstrom;
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4a–4f schematische Darstellungen von Datenpaketen und digitalen, codierten Datenströmen;
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5a–5c schematische Darstellungen von digitalen, codierten Datenströmen;
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6 ein Blockschaltbild eines RFID-Lesegeräts;
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7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen eines amplitudenmodulierten, codierten Signals; und
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8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen eines decodierten, digitalen Datenstroms.
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Im Folgenden werden teilweise für Objekte und Funktionseinheiten, die gleiche oder ähnliche funktionelle Eigenschaften aufweisen, gleiche Bezugszeichen verwendet. Des Weiteren können optionale Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombinierbar oder zueinander austauschbar sein.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines passiven RFID-Transponders 100 entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Der passive RFID-Transponder 100 umfasst einen Codierer 110, der mit einem Modulator 120 verbunden ist. Der Codierer 110 erzeugt einen digitalen, codierten Datenstrom 112 basierend auf einem zu sendenden digitalen Datenstrom 102. Dabei umfasst der digitale, codierte Datenstrom 112 zumindest einmal eine Initialisierungsbitsequenz. Die Initialisierungsbitsequenz weist eine maximale Datenfrequenz des digitalen, codierten Datenstroms 112 auf. Zusätzlich ändert der digitale, codierte Datenstrom 112 spätestens nach einer vordefinierten Bitanzahl seinen Wert. Der Modulator 120 moduliert eine Amplitude eines Trägersignals 104 mit dem digitalen, codierten Datenstrom 112, um ein amplitudenmoduliertes, codiertes Signal 122 bereitzustellen.
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Durch die direkte Modulation des Trägersignals 104 mit dem digitalen, codierten Datenstrom kann der Hardwareaufwand und/oder der Energieverbrauch zum Senden von Daten gegenüber Konzepten, die beispielsweise eine zweistufige Modulation unter Zuhilfenahme eines Sub-Trägersignals verwenden, deutlich reduziert werden. Beispielsweise kann bei gleicher Datenrate durch die einfachere Modulation und den damit verbundenen Hardwareaufwand der Energieverbrauch reduziert werden. Zusätzlich kann die Datenrate und damit die maximale Datenfrequenz des zu sendenden Datenstroms erhöht werden, da die Datenrate unabhängig von einer Frequenz eines Sub-Trägersignals ist. Stattdessen ist erst die Frequenz des Trägersignals eine obere Grenze für die Datenrate. In Verbindung mit dem geringen Hardwareaufwand kann somit bei gleichbleibenden oder sogar geringerem Energieverbrauch die Datenrate für die Übertragung von Daten an ein RFID-Lesegerät deutlich erhöht werden.
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Die maximale Datenfrequenz zu einer vorgegebenen Datenrate zeigt sich durch eine direkt aufeinanderfolgende, abwechselnde Folge von 0-en und 1-en (von hohen und tiefen Signalpegeln). Die Datenfrequenz wird in diesem Fall maximale Datenfrequenz genannt. Bei gleicher Datenrate weist beispielsweise eine Bitfolge 00110011 eine niedrigere Datenfrequenz als die maximale Datenfrequenz auf. Aus der maximalen Datenfrequenz kann also direkt auf die Datenrate geschlossen werden. Die Initialisierungsbitsequenz weist somit eine direkte Aufeinanderfolge von abwechselnden 0en und 1en auf, d. h. zumindest eine Bitsequenz 0101 aus 4 Bit oder eine längere Aufeinanderfolge von abwechselnden 0en und 1en (z. B. 8 Bit, 16 Bit oder mehr). Diese Initialisierungsbitsequenz kann dann beispielsweise von einem RFID-Lesegerät erkannt werden und so die Datenrate des gesendeten Signals über die maximale Datenfrequenz bestimmt werden.
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Die maximale Datenfrequenz und die Datenrate eines Signals werden beispielsweise in Bit pro Sekunde, Kilobit pro Sekunde oder Megabit pro Sekunde angegeben.
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Zusätzlich codiert der Codierer 110 den digitalen, codierten Datenstrom, so dass der digitale, codierte Datenstrom 112 spätestens nach einer vordefinierten Bitanzahl seinen Wert ändert Dadurch kann einem RFID-Lesegerät die Kompensation von Phasenverschiebungen bzw. das Halten einer dauerhaften Synchronisation auf dem Datenstrom, erleichtert werden. Die vordefinierte Bitanzahl kann beispielsweise 4 Bit, 5 Bit, 8 Bit, 16 Bit oder mehr Bit betragen. Um so geringer die vordefinierte Bitanzahl umso leichter kann ein RFID-Lesegerät die Synchronisation halten, was jedoch normalerweise auch mehr redundante Daten erfordert.
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Dadurch kann die Fehlerrate bei der Rekonstruktion des gesendeten digitalen Datenstroms in einem RFID-Lesegerät deutlich reduziert werden.
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2 zeigt dazu zwei Beispiele für einen digitalen, codierten Datenstrom 112. Die beiden Beispiele zeigen jeweils eine Initialisierungsbitsequenz und eine Änderung des Werts des digitalen, codierten Datenstroms 112 nach einer vordefinierten Bitanzahl (12 Bit im gezeigten Beispiel). Die maximale Datenfrequenz fmax, die auch der Datenrate des digitalen, codierten Datenstroms entspricht, ergibt sich aus der Zeitdauer einer 01- oder 10-Kombination. Die Initialisierungsbitsequenz kann mehrere aufeinanderfolgende 01- oder 10-Folgen aufweisen (z. B. 4, 6, 8, 16 oder noch mehr 01- oder 10-Folgen), um eine Bestimmung der maximalen Datenfrequenz für ein Lesegerät zu vereinfachen.
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Durch die direkte Modulation des Trägersignals 104 kann die maximale Datenfrequenz oder die gewünschte Datenrate unabhängig von einem Sub-Trägersignal gewählt werden. Eine schematische Darstellung für ein Beispiel 300 für eine direkte Modulation eines Trägersignals durch den digitalen, codierten Datenstrom 112 ist in 3 gezeigt. In diesem Beispiel hat der Codierer 110 den digitalen, codierten Datenstrom 112 im Basisband basierend auf einer NRZ-Codierung (non return to zero coding, Nicht-Zu-0-Zurückkehren-Codierung) erzeugt. Alternativ kann der Codierer auch eine NRZI (non return to zero invert coding, inverse Nicht-Zu-0-Zurückkehren-Codierung) oder einen anderen Codierungsalgorithmus, der kein Sub-Trägersignal verwendet, benutzen. Das Trägersignal 104 (das beispielsweise eine für RFID-Anwendungen typische Frequenz von 13,56 MHz aufweist) wird von dem Modulator 120 mit dem digitalen, codierten Datenstrom 112 direkt amplitudenmoduliert (ASK moduliert, amplitude shift keying). Diese Modulationsart wird auch Lastmodulation genannt. Dementsprechend kann der Modulator 120 dann ein lastmoduliertes Signal mit dem Datenstrom 122 (amplitudenmoduliertes, codiertes Signal) bereitstellen.
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Der Modulator 120 kann beispielsweise einen Transistor aufweisen, der die Impedanz eines Resonanzschwingkreises des RFID-Transponders basierend auf dem digitalen, codierten Datenstrom 112 verändert. Beispielsweise kann der Transistor dem Resonanzschwingkreis eine Last zu- oder wegschalten. Der Transistor kann dabei an seiner Steuerelektrode durch den digitalen, codierten Datenstrom 112 gesteuert werden, um das Trägersignal direkt mit dem digitalen, codierten Datenstrom 112 zu modulieren.
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Eine Codierung des zu sendenden digitalen Datenstroms 102, bei der der digitale, codierte Datenstrom 112 spätestens nach einer vordefinierten Bitanzahl seinen Wert ändert, kann durch den Codierer 110 auf verschiedene Arten erreicht werden. 4a und 4b zeigen dazu allgemein ein Beispiel für einen möglichen Aufbau eines Datenpakets. Dabei zeigt 4b einen Rahmen 400 (frame), der mehrere Zeichen 410 (character), wie sie beispielsweise in 4a gezeigt sind, enthalten kann. Der Rahmen 400 weist am Anfang eine Rahmenstartsequenz 402 (frame start indication) und am Ende eine Rahmenstoppsequenz 404 (frame stop indication) auf. Hier kann beispielsweise die Rahmenstartsequenz 402 die Initialisierungsbitsequenz enthalten. Ein Zeichen 410 umfasst mehrere Bytes sowie eine Zeichenstartsequenz 412 (character start indication) und eine Zeichenstoppsequenz 414 (character stop indication), wie in 4 dargestellt. Auch die Zeichenstartsequenz 412 kann die Initialisierungsbitsequenz aufweisen, es kann jedoch auch ausreichend sein, wenn die Initialisierungsbitsequenz nur an einer Stelle (z. B. in der Rahmenstartsequenz 402) vorkommt.
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Des Weiteren zeigt 4c und 4d einen möglichen Inhalt von zwei Doppelworten, wie sie im zu sendenden digitalen Datenstrom 102 vorkommen können, Dabei ist das in 4c gezeigte Doppelwort auf seiner ganzen Breite gleich 0 und das in 4d gezeigte Doppelwort auf seiner ganzen Breite gleich 1. Würden solche Doppelworte direkt übertragen werden, könnte ein RFID-Lesegerät möglicherweise Probleme mit der dauerhaften Synchronisierung auf das empfangene Signal haben. Um dies zu vermeiden, kann der Codierer 110 beispielsweise eine 4B5B Codierung verwenden. Bei der 4B5B Codierung werden Gruppen von 4 Bits des zu sendenden digitalen Datenstroms 102 auf Gruppen von 5 Bits abgebildet. Diese Gruppen von 5 Bits können in einer Codetabelle vordefiniert sein und so gewählt sein, dass in jeder Gruppe von 5 Bits zumindest ein Übergang von 0 nach 1 oder von 1 nach 0 enthalten ist. 4e und 4f zeigen die Anwendung eines 4B5B Codes auf die in 4c und 4d dargestellten Doppelwörter.
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In anderen Worten, der Codierer 110 kann eine festgelegte Anzahl von Datenbits des zu sendenden digitalen Datenstroms 102 jeweils einer codierten Bitsequenz zuordnen, um den digitalen, codierten Datenstrom 112 zu erhalten. Eine codierte Bitsequenz umfasst dabei mehr Bits als die festgelegte Anzahl von Datenbits des zu sendenden digitalen Datenstroms und nicht alle Bits der codierten Bitsequenz weisen denselben Wert auf.
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Alternativ kann der Codierer 110 beispielsweise den zu sendenden digitalen Datenstrom 102 durch Hinzufügen von Datenbits erweitern. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem der Codierer 110 dem zu sendenden digitalen Datenstrom 102 zumindest ein komplementäres Bit hinzufügt, wenn der zu sendende digitale Datenstrom über mehr Bits als die vordefinierte Bitanzahl hinweg seinen Wert nicht ändert. Beispielsweise fügt der Codierer 110 eine 1 hinzu, wenn der zu sendende digitale Datenstrom die vordefinierte Bitanzahl lang nur 0en aufweist, oder eine 0 hinzufügt, wenn der zu sendende digitale Datenstrom 102 die vorbestimmte Bitanzahl lang nur 1en aufweist.
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5a und 5b zeigen dazu ein allgemeines Beispiel für die Erweiterung eines zu sendenden digitalen Datenstroms 102 durch Hinzufügen von Bits. Zusätzlich zeigt 5c ein Beispiel für einen wieder reduzierten digitalen Datenstrom 532, wie er beispielsweise in einem RFID-Lesegerät erzeugt wird. 5a zeigt allgemein eine zu sendende Symbolsequenz, die zwei unterschiedliche Symbolarten A und B (z. B. 0 und 1) aufweist. Treten nun hintereinander in der zu sendenden Symbolsequenz n Symbole A (wobei n der vordefinierten Bitanzahl für Symbol A entspricht) auf, kann der Codierer beispielsweise k Symbole X einfügen, wobei im konkreten Beispiel X = 1 ist, wenn A = 0 ist, und X = 0 ist, wenn A = 1 ist. Des Weiteren kann der Codierer r Symbole Y einfügen, wenn mehr als m Symbole B (wobei m der vordefinierten Bitanzahl für Symbol B entspricht) in der zu sendenden Symbolsequenz auftreten, was im konkreten Beispiel das Einfügen zumindest einer 1 darstellt, wenn B = 0 ist, und das Einfügen von zumindest einer 0, wenn B = 1 ist. Im konkreten Fall sind die Symbole A, B, X und Y jeweils 0 oder 1, wobei A = 0 ist, wenn B = 1 ist, oder A = 1 ist, wenn B = 0 ist. Demzufolge nehmen auch X bzw. Y immer die komplementären Werte von A und B an, d. h. X = 1, wenn A = 0 ist, und X = 0, wenn A = 1 ist sowie umgekehrt, Y = 0 ist, wenn B = 1 ist, und Y = 1 ist, wenn B = 0 ist. Ein Beispiel für die erweiterte Symbolsequenz (entspricht einem digitalen, codierten Datenstrom 112) ist in 5b gezeigt. Theoretisch können für die Symbole A und B unterschiedliche vordefinierte Bitanzahlen (n ungleich m) festgelegt werden. Es ist jedoch ausreichend auch nur eine vordefinierte Bitanzahl für beide Symbole (n = m) festzulegen.
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5a–5c zeigen ein Beispiel für Symbolhinzufügerregeln (symbol stuffing rule). Das Symbolhinzufügen (symbol stuffing) kann beispielsweise verwendet werden, um die Grenzen eines Rahmens (frames), wie beispielsweise den Anfang eines Rahmens (SOF, start of frame) und/oder das Ende eines Rahmens (EOF, end of frame) anzuzeigen. Vor allem können aber lange Symbolsequenzen, in denen keine Veränderung der Lastmodulation vorkommt, verhindert werden. D. h. durch das Symbolhinzufügen (symbol stuffing) kann eine Veränderung des aktuellen Lastmodulationszustands (eine Änderung des Werts des digitalen, codierten Datenstroms) hervorgerufen werden.
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Alternativ kann der Codierer 110 auch einen Vertauschungsalgorithmus (scrambling algorithm) heranziehen, der Bits des zu sendenden digitalen Datenstroms 102 vertauscht, so dass der digitale, codierte Datenstrom 112 spätestens nach einer vordefinierten Bitanzahl seinen Wert ändert.
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Allgemein stellt der zu sendende digitale Datenstrom 102 jene Daten dar, die der passive RFID-Transponder als Information an ein RFID-Lesegerät versenden möchte. Hingegen stellt der digitale, codierte Datenstrom 112 den zu sendenden digitalen Datenstrom 102 nach dem Codieren dar. Dabei kann der Codierer 110 beispielsweise einen Fehlerkorrekturcode, einen Entropiecode, einen Differenzcode, einen Bit-Hinzufüge-Code (bit suffing code), einem 4B5B-Code und/oder einem Vertauschungscode (scrambling code) in Kombination mit z. B. einer NRZ-Codierung oder NZRI-Codierung verwenden.
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Passive RFID-Transponder nach dem beschriebenen Konzept können beispielsweise Anwendung in Chipkarten, Ausweisen oder Etiketten finden. Unter dem RFID-Transponder ist dabei z. B. der integrierte Schaltkreis ohne Antenne zu verstehen, wie er beispielsweise durch gängige Halbleiterherstellungsverfahren auf einem Siliziumsubstrat hergestellt werden kann. Die dazu gehörige Antenne kann dann beispielsweise in den Kartenkörper einer Chipkarte, in den Ausweise oder in ein Etikett, in die ein RFID-Transponder integriert wird, realisiert sein. Genauso kann die Antenne jedoch auch auf dem RFID-Transponder-Chip direkt integriert sein.
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Der Codierer 110 und der Modulator 120 können eigenständige Hardwareeinheiten oder Teil eines Computers oder Mikrocontrollers sowie Computerprogramme oder Softwareprodukte zur Ausführung auf einem Computer oder Mikrocontroller sein.
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Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf einen passiven RFID-Transponder, der einen Codierer und einen Modulator aufweist. Der Codierer erzeugt einen digitalen, codierten Datenstrom basierend auf einem zu sendenden digitalen Datenstrom. Der digitale, codierte Datenstrom umfasst zumindest einmal eine Initialisierungsbitsequenz. Die Initialisierungsbitsequenz weist eine maximale Datenfrequenz des digitalen, codierten Datenstroms auf, wobei die maximale Datenfrequenz unabhängig von einem Sub-Trägersignal ist. Ferner moduliert der Modulator eine Amplitude eines Trägersignals mit dem digitalen, codierten Datenstrom, um ein amplitudenmoduliertes, codiertes Signal bereitzustellen.
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Durch die direkte Modulation des Trägersignals mit dem digitalen, codierten Datenstrom unabhängig von einem Sub-Trägersignal, kann der Hardwareaufwand für den RFID-Transponder deutlich reduziert werden, da keine zweistufige Modulation notwendig ist. Zusätzlich kann die Datenrate erhöht werden, da keine Einschränkung durch ein Sub-Trägersignal erfolgt. Ein RFID-Lesegerät kann basierend auf der Initialisierungsbitsequenz die maximale Datenfrequenz und somit auch die Datenrate der zu übertragenden Daten erkennen und so die gesendeten Daten rekonstruieren.
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Einige weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf einen passiven RFID-Transponder, der einen Codierer und einen Modulator aufweist. Der Codierer erzeugt einen digitalen, codierten Datenstrom basierend auf einem zu sendenden digitalen Datenstrom, so dass der digitale, codierte Datenstrom spätestens nach einer vordefinierten Bitanzahl seinen Wert ändert. Des Weiteren weist der digitale, codierte Datenstrom eine maximale Datenfrequenz auf, die unabhängig von einem Sub-Trägersignal ist. Ferner moduliert der Modulator eine Amplitude eines Trägersignals mit dem digitalen, codierten Datenstrom, um ein amplitudenmoduliertes, codiertes Signal bereitzustellen.
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Durch die direkte Modulation des Trägersignals mit dem digitalen, codierten Datenstrom kann der Hardwareaufwand für den RFID-Transponder deutlich reduziert werden, da keine zweistufige Modulation erforderlich ist. Zusätzlich kann die maximale Datenfrequenz der zu sendenden Daten erhöht werden, da die Datenrate unabhängig von einem Sub-Trägersignal ist. Durch die Codierung des zu sendenden digitalen Datenstroms, so dass der digitale, codierte Datenstrom spätestens nach einer vordefinierten Bitanzahl seinen Wert ändert, kann einem RFID-Lesegerät die dauerhafte Synchronisation auf das empfangene Signal erleichtert werden.
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Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine Chipkarte mit einem RFID-Transponder gemäß dem beschriebenen Konzept.
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6 zeigt ein Blockschaltbild eines RFID-Lesegeräts 600 entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Das RFID-Lesegerät 600 umfasst einen Empfänger 610, einen Demodulator 620 und einen Decodierer 630. Der Empfänger 610 ist mit dem Demodulator 620 verbunden und der Demodulator 620 ist mit dem Decodierer 630 verbunden. Der Empfänger 610 empfängt ein amplitudenmoduliertes, codiertes Empfangssignal 612 und der Demodulator 620 demoduliert das amplitudenmodulierte, codierte Empfangssignal 612 basierend auf einem von dem RFID-Lesegerät 600 erzeugten Trägersignal, um einen digitalen, codierten Datenstrom 622 zu erhalten. Des Weiteren bestimmt der Decodierer 630 eine maximale Datenfrequenz des digitalen, codierten Datenstroms 622 und stellt basierend auf der bestimmten maximalen Datenfrequenz einen decodierten, digitalen Datenstrom 632 bereit.
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Durch die Ermittlung der maximalen Datenfrequenz kann das RFID-Lesegerät 600 die Datenrate des digitalen, codierten Datenstroms 622 feststellen. Ist die Datenrate erst mal bekannt, kann der digitale, codierte Datenstrom 622 decodiert werden. Dazu kann der digitale, codierte Datenstrom 622 zumindest einmal eine Initialisierungsbitsequenz umfassen, wobei die Initialisierungsbitsequenz die maximale Datenfrequenz des digitalen, codierten Datenstroms 622 aufweist.
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Das RFID-Lesegerät erzeugt z. B. ein Trägersignal zum Senden von Daten an einen RFID-Transponder und zur Versorgung des RFID-Transponders mit Energie. Der RFID-Transponder kann Daten beispielsweise durch eine Lastmodulation des Trägersignals an das RFID-Lesegerät zurückschicken. Dieses lastmodulierte Trägersignal stellt dann das amplitudenmodulierte, codierte Empfangssignal dar. Daher kann zur Demodulation das vom RFID-Lesegerät erzeugte Trägersignal herangezogen werden. Wenn der RFID-Transponder die zu sendenden Daten durch eine direkte Amplitudenmodulation des Trägersignals übertragen hat, kann auch das RFID-Lesegerät durch eine direkte Demodulation des amplitudenmodulierten, codierten Empfangssignals basierend auf dem Trägersignal (z. B. mit dem Trägersignal selbst oder basierend auf der Frequenz des Trägersignals) den digitalen, codierten Datenstrom erhalten. Eine zweistufige Demodulation unter Zuhilfenahme eines Sub-Trägersignals ist daher nicht notwendig, wodurch beispielsweise der Hardwareaufwand des RFID-Lesegeräts reduziert werden kann.
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Zusätzlich kann das RFID-Lesegerät 600 eine Synchronisationsvorrichtung aufweisen. Die Synchronisationsvorrichtung kann eine Phasenverschiebung des digitalen, codierten Datenstroms 622 basierend auf einer Änderung des Werts des digitalen, codierten Datenstroms 622 ausgleichen. Auf diese Weise kann die Synchronisationsvorrichtung bei einem Übergang des digitalen, codierten Datenstroms 622 von 0 auf 1 oder von 1 auf 0 die Synchronisation nachjustieren und so eine eventuelle Phasenverschiebung des digitalen, codierten Datenstroms 622 in Bezug auf einen Referenztakt oder Abtasttakt des Demodulators 620 oder des Decodierers 630 ausgleichen. Je länger der digitale, codierte Datenstrom einen konstanten Wert aufweist, um so höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Phasenverschiebung so groß wird, dass ein Bit des digitalen, codierten Datenstroms 622 vom Demodulator 620 oder dem Decodierer 630 übersehen oder hinzugefügt wird. Um dies zu vermeiden, kann der digitale, codierte Datenstrom 622 codiert sein, so dass er spätestens nach einer vordefinierten Bitanzahl seinen Wert ändert. Dadurch kann die Fehlerrate des decodierten, digitalen Datenstroms 632 deutlich reduziert werden.
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Zur Demodulation des amplitudenmodulierten, codierten Empfangssignals 612 kann der Demodulator 620 beispielsweise einen Differenzverstärker aufweisen. Der Differenzverstärker kann eine Differenz zwischen dem amplitudenmodulierten, codierten Empfangssignal 612 und dem vom RFID-Lesegerät 600 erzeugten Trägersignal verstärken. Der Demodulator 620 kann dann basierend auf der verstärkten Differenz den digitalen, codierten Datenstrom 622 erzeugen.
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Durch diese Implementation kann es beispielsweise möglich sein, auch ohne Bandpassfilter oder mit einem Bandpassfilter mit geringer Güte zur Unterdrückung des Trägersignals auszukommen.
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Das RFID-Lesegerät kann dazu beispielsweise eine separate Antenne zum Senden des Trägersignals und eine weitere Antenne zum Empfangen des amplitudenmodulierten, codierten Empfangssignals 612 aufweisen. Das an der ersten Antenne zu sendende Trägersignal und das empfangene amplitudenmodulierte, codierte Empfangssignal 612 können dann an die differenziellen Eingänge des Differenzverstärkers geführt werden. Durch eine separate Anordnung einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne unter Verwendung eines Differenzverstärkers zur Erzeugung des digitalen, codierten Datenstroms 622 kann die Bitfehlerrate des decodierten, digitalen Datenstroms 622 deutlich reduziert werden.
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Da das RFID-Lesegerät 600 durch den Codierer 630 jeweils die maximale Datenfrequenz eines empfangenen digitalen, codierten Datenstroms 622 bestimmt, kann das RFID-Lesegerät 600 Empfangssignale mit unterschiedlichen Datenraten verarbeiten. Dadurch können beispielsweise Signale von verschiedenen RFID-Transpondern verarbeitet werden, die unterschiedliche Datenraten verwenden. In anderen Worten, der Decodierer 620 kann digitale, codierte Datenströme 622 mit unterschiedlichen maximalen Datenfrequenzen verarbeiten, um decodierte, digitale Datenströme 632 zu erzeugen.
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Der Empfänger 610, der Demodulator 620 und der Decodierer 630 sowie die optionale Synchronisationsvorrichtung können unabhängige Hardwareeinheiten oder Teil eines Computers oder Mikrocontrollers sein sowie ein Computerprogramm oder Softwareprodukt zur Ausführung auf einem Computer oder Mikrocontroller sein.
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Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein RFID-Kommunikationssystem mit einem passiven RFID-Transponder und einem RFID-Lesegerät entsprechend dem zuvor beschriebenen Konzepts. Dabei wird das amplitudenmodulierte, codierte Signal des passiven RFID-Transponders dem RFID-Lesegerät als amplitudenmoduliertes, codiertes Empfangssignal bereitgestellt, also vom RFID-Transponder zum RFID-Lesegerät übertragen.
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7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 700 zum Bereitstellen eines amplitudenmodulierten, codierten Signals entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Das Verfahren 700 umfasst ein Erzeugung eines digitalen, codierten Datenstroms basierend auf einem zu sendenden digitalen Datenstrom. Dabei weist der digitale, codierte Datenstrom zumindest einmal eine Initialisierungsbitsequenz auf. Die Initialisierungsbitsequenz weist eine maximale Datenfrequenz des digitalen, codierten Datenstroms auf. Des Weiteren ändert der digitale, codierte Datenstrom spätestens nach einer vordefinierten Bitanzahl seinen Wert. Ferner weist das Verfahren 700 ein Modulieren 720 einer Amplitude eines Trägersignals mit dem digitalen, codierten Datenstrom auf, um das amplitudenmodulierte, codierte Signal bereitzustellen.
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Optional kann das Verfahren 700 noch weitere Verfahrensschritte umfassen, die im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen RFID-Transponder beschrieben wurden.
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8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 800 zum Bereitstellen eines decodierten, digitalen Datenstroms entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Das Verfahren 800 umfasst ein Empfangen 810 eines amplitudenmodulierten, codierten Empfangssignals und ein Demodulieren 820 des amplitudenmodulierten, codierten Empfangssignals basierend auf einem von einem RFID-Lesegerät erzeugten Trägersignal, um einen digitalen, codierten Datenstrom zu erhalten. Des Weiteren umfasst das Verfahren 800 ein Bestimmen 830 einer maximalen Datenfrequenz des digitalen, codierten Datenstroms und ein Bereitstellen 840 eines decodierten, digitalen Datenstroms basierend auf der bestimmten maximalen Datenfrequenz.
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Optional kann das Verfahren 800 weitere Verfahrensschritte umfassen, die im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen RFID-Lesegerät beschrieben wurden.
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Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zum Bereitstellen eines amplitudenmodulierten, codierten Signals. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines digitalen, codierten Datenstroms basierend auf einem zu sendenden digitalen Datenstrom. Dabei umfasst der digitale, codierte Datenstrom zumindest einmal eine Initialisierungsbitsequenz. Die Initialisierungsbitsequenz weist eine maximale Datenfrequenz des digitalen, codierten Datenstroms auf. Die maximale Datenfrequenz ist dabei unabhängig von einem Sub-Trägersignal. Des Weiteren umfasst das Verfahren ein Modulieren einer Amplitude eines Trägersignals mit dem digitalen, codierten Datenstrom, um das amplitudenmodulierten, codierte Signal bereitzustellen.
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Optional kann das Verfahren noch weitere Verfahrensschritte umfassen, die im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen RFID-Transponder beschrieben wurden.
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Einige weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zum Bereitstellen eines amplitudenmodulierten, codierten Signals. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines digitalen, codierten Datenstroms basierend auf einem zu sendenden digitalen Datenstrom. Der digitale, codierte Datenstrom wird erzeugt, so dass der digitale, codierte Datenstrom spätestens nach einer vordefinierten Bitanzahl seinen Wert ändert. Dabei ist eine maximale Datenfrequenz des digitalen, codierten Datenstroms unabhängig von einem Sub-Trägersignal. Des Weiteren umfasst das Verfahren ein Modulieren einer Amplitude eines Trägersignals mit dem digitalen, codierten Datenstrom, um das amplitudenmodulierte, codierte Signal bereitzustellen.
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Optional kann das Verfahren noch weitere Verfahrensschritte umfassen, die im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen RFID-Transponder beschrieben wurden.
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Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein Codierverfahren für eine sehr hohe Datenrate (VHDR, very high data rates) in Kontaktlos-Anwendungen. Beispielsweise beschreibt das erfindungsgemäße Konzept ein Codierungs- und/oder Modulationskonzept für Datenkommunikation zwischen PICC (proximity integrated circuit card, Nahfeld-Integrierte-Schaltung-Karte) und einem PCD (proximity coupling device, Nahfeld-Kopplungsvorrichtung) bezüglich der hohen Datenraten. Die Datenübertragung von einem PICC (passiver RFID-Transponder) zu einem PCD (RFID-Lesegerät) wird auch Aufwärtsverbindung (uplink) genannt. Beispielsweise werden Datenraten über 848 Kilobit pro Sekunde als sehr hohe Datenraten (VHDR, very high data rates) bezeichnet. Das erfindungsgemäße Konzept beschreibt ein Codierungsschema und/oder Modulationsschema, welches die Datenrate erhöhen kann. Zum Beispiel brauchen kontaktlose Anwendungen, wie elektronische Pässe oder Nahfeldkommunikation (NFC, near field communication) hohe Kommunikationsraten.
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Das erfindungsgemäße Konzept zeigt eine sehr einfache und effektive Methode, um sehr hohe Datenraten für die Aufwärtsverbindung (uplink) zu erreichen. Ein Vorteil gegenüber beispielsweise M-PSK-Modulation (multi-phase shift keying modulation, Mehrfachphasenmodulation) ist eine geringere Anforderung an das PICC (RFID-Transponder) bezüglich einer höheren Taktratenauflösung. Anstelle einer zweistufigen Lastmodulation kann die Aufwärtsverbindung (Übertragung von Daten vom RFID-Transponder zum RFID-Lesegerät) durch eine einfache Lastmodulation (ASK, Amplitudenmodulation) des Trägersignals erfolgen. Das heißt, es muss kein Sub-Trägersignal verwendet werden und das Trägersignal kann direkt mit den Basisbanddaten (dem digitalen, codierten Datenstrom) moduliert werden. Die Basisbanddaten können dabei beispielsweise NRZ-codiert sein. Wenn der NRZ-codierte Datenstrom z. B. eine Datenrate von 13,56 Megabit pro Sekunde hat, so kann auch die Aufwärtsverbindung (uplink) diesen Wert aufweisen. In diesem Fall entspricht ein einzelnes Bit einer Trägersignalperiode von 1/fc = 73,75 ns. Beispielsweise ist für das beschriebene Konzept eine Manchester-Codierung keine Alternative zu einer NRZ-Codierung, da die Manchester-Codierung ein Sub-Trägersignal verwendet, welches die Datenrate und die dazugehörige maximale Datenfrequenz begrenzen könnte.
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Einige Vorteile des beschriebenen Codierverfahrens und/oder Modulationsverfahrens sind beispielsweise, dass keine hohe Phasenauflösung (d. h. eine hohe Taktrate) für das PICC (passiver RFID-Transponder) notwendig ist. Ferner kann die Architektur des digitalen Teils des PICC einfach gehalten werden, da z. B. keine Erzeugung von Multiphasenmodulationssignalen notwendig ist. Auch die Architektur des analogen Frontend (z. B. des Modulators) des PICC kann einfach gehalten werden (Anpassung zu einer höheren Lastmodulationsfrequenz). Des Weiteren benötigt der Empfangspfad des PCD (RFID-Lesegerät) keine komplexe Demodulations- und Decodiereinheit (Demodulator und Decodierer), um das empfangene modulierte Signal zu verarbeiten (z. B. reduzierte Komplexität im Vergleich zu Mehrfachphasenmodulationsdemodulatoren).
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Ein Kern der Erfindung ist die Erhöhung der Datenrate der Aufwärtsverbindung (uplink, Datenübertragung vom passiven RFID-Transponder zum RFID-Lesegerät). Das erfindungsgemäße Codierungsverfahren kann die Datenrate für die Aufwärtsverbindung (uplink) beispielsweise durch eine Vermeidung (einer Zuhilfenahme) von Subträgersignalen erhöhen. Dies ist eine einfache und sehr effiziente Methode, um Datenraten bis hinauf zur Frequenz des Trägersignals, z. B. 13,56 Megabit pro Sekunde, zu erreichen, was eine Vervielfachung der Kommunikationsgeschwindigkeit (z. B 16fach) von bekannten Konzepten ermöglichen kann.
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Wichtige Aspekte des erfindungsgemäßen Konzepts sind dabei beispielsweise die direkte Trägersignalmodulation, die Verwendung einer Initialisierungsbitsequenz, auch Anlauf-Sequenz (run-in pattern) genannt, die zumindest die höchstmögliche Datenrate (Frequenz) aufweist, und die Verwendung eines Symbols (Byte, Wort, Doppelwortumrahmung), um lange 0- oder 1-Sequenzen zu vermeiden. Eine angemessene Synchronisationssequenz (Initialisierungsbitsequenz) ist beispielsweise ein alternierendes 10-Bitmuster mit der höchstmöglichen Bitrate.
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Ein hoher Datendurchsatz für die Aufwärtsverbindung (uplink) benötigt beispielsweise eine hohe Datenrate und eine kompakte und effiziente Datenumrahmung. Dafür kann beispielsweise mehr als ein Byte zu einem Zeichen (character) kombiniert werden. Die Anzahl der Bytes pro Zeichen sowie die Bit/Byte-Anordnung kann unterschiedlich definiert werden. Wie bereits zuvor erwähnt, zeigt 4a ein mögliches Zeichenformat (character format) mit einer Start- und Stoppindikation (Zeichenstartsequenz und Zeichenstoppsequenz). Die Start- und Stoppindikation kann eine einfache Bitsequenz (ein oder mehr Bits) oder ein Paritätsbit (parity bit) sein, das über das gesamte Zeichen berechnet wird. Keine Änderungen in einer Wort-(16 Bit)- oder Doppelwort-(32 Bit)-Darstellungen verursachen lange Phasen ohne einer Änderung der Lastmodulation (wie beispielsweise in 4c und 4d gezeigt). Eine Methode, um lange Sequenzen ohne Veränderung in der Lastmodulation zu vermeiden, ist z. B. die Verwendung einer Bithinzufügung (bit stuffing), Vertauschen (scrambling) oder Zeilcodes (line codes), wie z. B. 4B5B. Dieser Code bildet Gruppen von 4 Bits auf Gruppen von 5 Bits ab. Die 5 Bit Wörter können in einer Codetabelle vordefiniert sein und können gewählt werden, um sicherzustellen, dass zumindest ein Übergang pro Wort stattfindet. Der 4B5B Code hat eine gewisse Redundanz, so dass mehrere 4B5B Zeichen für Kontrollinformation oder Synchronisationsinformation verwendet werden können, wie z. B. Start/Stopp-Markierung (start/stopp flag). 4e und 4f zeigen ein Beispiel für ein 4B5B codiertes Doppelwort. Im Vergleich zu 4c und 4d vermeidet die Codierregel lange Phasen ohne Veränderung der Lastmodulation.
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4b zeigt ein mögliches Rahmenformat, welches für die Übertragung vom PICC (passiver RFID-Transponder) zum PCD (RFID-Lesegerät) verwendet werden kann. Der Rahmen besteht aus einer bestimmten Anzahl von Zeichen. Beispielsweise kann die maximale Rahmengröße auf 128, 256, 512, 1024 Bytes oder eine niedrigere oder höhere Anzahl von Bytes festgelegt werden. Für einen hohen Datendurchsatz kann eine Größe von z. B. 256 Bytes zu klein sein, so dass Rahmengrößen über 256 Bytes sinnvoll sein können. Die Grenzen von jedem Kommunikationsrahmen können beispielsweise durch eine Start/Stopp-Sequenz, wie beispielsweise einem nicht verwendeten 4B5B Zeichen, festgelegt werden.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
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Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
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Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
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Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
