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Die Erfindung betrifft einen Aufweckempfänger, einen Empfänger mit einem Aufweckempfänger, einen Sender mit einem Aufweckempfänger und einen Senderempfänger mit einem Aufweckempfänger.
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Aufweckempfänger werden unter anderem in Verbindung mit drahtlosen Sensorknoten verwendet, die hier auch kurz als Knoten bezeichnet werden. Drahtlose Sensorknoten sind Sensorvorrichtungen zur Messung, also messtechnischen Erfassung beliebiger Größen in Form von digitalen Daten, die mit einem Sender oder einem Senderempfänger zur Übertragung der erfassten Daten über eine Luftschnittstelle verbunden sind. Drahtlose Sensorknoten in bekannten Ausführungen bilden ein miniaturisiertes, autarkes System aus einem oder mehreren Sensoren, einer Einheit zur Datenverarbeitung und -speicherung, einer Energiequelle und einem Senderempfänger zur Kommunikation von Daten und/oder Steuersignalen über die Luftschnittstelle. Solche Sensorknoten finden vielfache Anwendung, zum Beispiel in der Umweltüberwachung, Geländesicherung und der Überwachung von Industrieanlagen. Viele Ausführungsformen von Sensorknoten sammeln Daten, welche nicht kontinuierlich, sondern in gewissen Zeitabständen über die Luftschnittstelle weitergeleitet werden. Es handelt sich bei Sensorknoten häufig um preiswerte Minimalsysteme, welche in der Regel in großer Anzahl eingesetzt werden sollen.
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Je nach vorgesehener Anwendung gibt es eine große Variationsbreite der Funktionsweise von Sensorknoten. Manche Sensorknoten können Daten regelmäßig weiterreichen, andere nur beim Eintreten eines besonderen Ereignisses. Messungen werden in manchen Anwendungsfällen relativ selten vorgenommen, (z. B. einmal pro Tag), in anderen Anwendungsfällen jedoch in kurzen Abständen. Eine zu nutzende Kommunikationstopologie kann sternförmig sein, also eine Übertragung zu einer zentralen Einheit verlangen. In anderen Anwendungsfällen sind Sensorknoten Teil eines "multi-hop"-Netzwerks, bei welchem jeder Knoten die Daten von anderen weiterreicht. Manche Knoten verschicken ihre Daten nach einem eingebauten Algorithmus. Andere warten, bis sie von extern dazu aufgefordert werden.
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Die Energiequelle von Sensorknoten ist in manchen Ausführungen eine Batterie. In anderen Ausführungen enthalten Sensorknoten technische Einrichtungen, die ausgebildet sind, aus der Umwelt benötigte Energie zu extrahieren (sog. "energy harvesting"). Die angestrebte Lebensdauer, also die Zeitspanne der Betriebsbereitschaft eines Knotens kann je nach Anwendungsfall kurz oder bis zu mehreren Jahren sein.
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Bei der großen Mehrheit der Anwendungen ist der Energieverbrauch und die daraus folgende Beschränkung der Lebensdauer ein Hauptproblem.
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Es ist bekannt, den Knoten oder ausgewählte Komponenten davon für möglichst große Zeitintervalle in einen geeigneten Schlafmodus zu versetzen. Dieses ist vergleichsweise einfach für diejenigen Komponenten vorzunehmen, die für die Datenverarbeitung und Sensorik zuständig sind. Für das Kommunikationssystem ist es schwieriger, da ein Knoten im Allgemeinen von extern zu erreichen sein muss. Diese Anforderung führt dazu, dass der Funkempfänger ständig in Betrieb ist, wenn auch in einer Betriebsart mit reduzierter Leistungsaufnahme ("idle listening"). Daher bleibt der Energieverbrauch des Empfängers meist der dominierende Faktor für die Lebensdauer des Knotens.
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Verschiedene Lösungen zur weiteren Senkung des Energieverbrauchs wurden vorgestellt. So ist es bekannt, den Empfänger nach einem vordefinierten zeitlichen Rhythmus nur ab und zu einzuschalten. Diese Methode des "duty cycling" ist aber mit Nachteilen verbunden. Zusätzlicher Aufwand ist notwendig, um die Knoten zu synchronisieren. Das duty-cycling führt zu erhöhtem Aufwand, da höhere Protokollebenen entsprechend ausgestaltet werden müssen. Je nach gewähltem Schema müssen erhöhte Latenzzeiten in Kauf genommen werden.
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Ein anderer Lösungsweg verwendet einen Aufweckempfänger, der im Englischen als "wake-up receiver" (kurz „WURx“) bezeichnet wird. Aufweckempfänger sind Empfänger, die in der Lage sind, mit besonders geringem Energiebedarf einen Kommunikationskanal auf ein eingehendes externes Aufwecksignal hin zu überwachen und in Reaktion auf den Empfang eines solchen externen Aufwecksignals ein internes Aufwecksignal auszugeben. Das interne Aufwecksignal kann dazu verwendet werden, einen mit dem Aufweckempfänger verbundenen Hauptknoten zu aktivieren, der im Betrieb einen höheren Energiebedarf als der Aufweckempfänger hat. Als Hauptknoten werden in der vorliegenden Anmeldung die dem Aufweckempfänger nachgeschalteten Haupt-Funktionsgruppen eines Empfängers oder eines Senderempfängers bezeichnet.
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Der Aufweckempfänger bleibt also ständig in Bereitschaft, um das externe Aufweck-, engl. „wake-up“-Signal zu empfangen. Der Hauptknoten bleibt so lange in einem energiesparsamen Schlafmodus, bis er bei Empfang des externen Aufwecksignals durch das interne Aufwecksignal aktiviert wird. Nach Bearbeitung der anliegenden Aufgabe schaltet der Hauptknoten einschließlich seines Sende- und/oder Empfangsteils wieder in den Schlafmodus, bis das nächste Aufwecksignal empfangen wird, oder bis ein interner Alarm ausgelöst wird. Dadurch wird der Energieverbrauch des Hauptknotens auf das Minimum reduziert, welches für die Erfüllung seiner Aufgaben benötigt wird.
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Der WURx muss als externes Aufwecksignal nur eine sehr einfache Botschaft empfangen, welche typischerweise aus einem einzelnen Bit besteht, oder aus einer Sequenz von wenigen Bits, um beispielsweise eine Zieladresse, also die Adresse des empfangenden Knotens zu kodieren. Daher kann der WURx auf diese spezielle Aufgabe optimiert werden, wodurch der Energieverbrauch weit unter dem eines konventionellen Funkempfängers gesenkt werden kann. Insbesondere muss nur eine niedrige Datenrate bei einer vergleichsweise hohen Latenz unterstützt werden.
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Derartige Aufweckempfänger sind beispielsweise in
WO 2012/168551A1 und
US 2006/0101298 A1 -
Verschiedene Aufweckempfänger unterscheiden sich in der Methodik, um diese Tradeoffs umzusetzen. Aufweckempfänger können in aktive und passive Systeme eingeteilt werden. Passive Systeme verwenden die Energie aus der Funkwelle des Aufwecksignals und benötigen keine zusätzliche Energiequelle. Insofern ähneln sie einem RFID Tag. Mit den bis jetzt bekannten passiven Systemen lassen sich aber nur Entfernungen bis zu einigen Metern überbrücken. Aktive Systeme werden durch eine Energiequelle gespeist.
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Mit solchen Systemen können größere Entfernungen überbrückt werden. Trotz des Nachteils eines ständigen Energieverbrauchs kommen für die meisten Anwendungen nur aktive Systeme in Betracht.
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Ein aktiver WURx mit einer "uncertain IF" Architektur wurde in N. Pletcher, "Ultra-Low Power Wake-Up Receivers for Wireless Sensor Networks" (Thesis), Technical Report No. UCB/EECS-2008-59, Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California at Berkeley, 2008, vorgestellt (N. Pletcher (2008)). Dieser ist eine Abwandlung von traditionellen Architekturen, welche das RF Signal auf eine Zwischenfrequenz herabmischen. Eine Empfindlichkeit von –72 dBm wird durch dieses System erreicht.
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Für eine Reichweite von einigen hundert Metern wird jedoch eine höhere Empfindlichkeit benötigt.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Aufweckempfängerschaltung bereit, die einen Energiespeicher in Form eines SAW-Resonators hat, der eingangsseitig über einen Schalttransistor mit einer Antenne verbindbar ist, auf deren Antennenfrequenz seine Resonatorfrequenz abgestimmt ist. Der Schalttransistor ist in der Aufweckempfängerschaltung so ausgebildet und angeordnet, dass er über ein ihm zuführbares Taktsignal, das pro Taktperiode eine Ladephase und eine Entladephase für den SAW-Resonator definiert, in der Ladephase den SAW-Resonator mit der Antenne verbindet und in der Entladephase den SAW-Resonator von der Antenne trennt. Die Aufweckempfängerschaltung hat darüber hinaus einen mit dem SAW-Resonator gekoppelten und zu ihm parallelgeschalteten Ausgangsschwingkreis, der auf die Resonatorfrequenz des SAW-Resonators abgestimmt ist und über dem in der Entladephase ein Aufwecksignal abgreifbar ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass in vielen relevanten Anwendungsszenarien ein Aufweckempfänger eingehende Signale mit einer Empfindlichkeit von etwa minus 85 dBm detektieren können muss. Beispielsweise in einem Entfernungsbereich von 100m betragen Antennensignale am Fußpunkt einer 50-ohm Antenne oft nur etwa 20µV. Diese geringe Signalamplitude ist oft in der notwendigen Einhaltung einer vorgeschriebenen Sendeleistung in ISM-Bändern begründet.
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Die Erfindung geht weiter von der Erkenntnis aus, dass ein solch schwaches Signal um einen Faktor von mindestens 10 bis 20 angehoben werden muss, um nach einer Gleichrichtung ein verwertbares Signal zu erhalten. Im Stand der Technik wird eine solche Verstärkung durch eine rauscharme Verstärkerstufe (low-noise amplifier, LNA) bewerkstelligt. Wie Pletcher (2008) darstellt, führt dieses aber zu einem inakzeptabel großen Energieverbrauch. Alternativ wird in traditionellen Funkempfängerarchitekturen das Signal durch Mischen auf das Niveau des lokalen Oszillators (LO) angehoben. Dieses erfordert aber einen hohen Energieverbrauch durch den LO und den Mischer.
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Die vorliegende Erfindung stellt demgegenüber eine neuartige Architektur für ein WURx vor, welche eine besonders hohe Empfindlichkeit erreichen kann, mit der auch schwache Signale der oben genannten Art detektiert werden können. Die Aufweckempfängerschaltung verwendet einen SAW-Resonator als Energiespeicher. Der SAW Resonator ist mittels eines Schalttransistors an die Antenne angeschlossen oder anschließbar.
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Im Betrieb sammelt der SAW-Resonator in einer von einem Taktsignal definierten Ladephase Energie von dem eingehenden RF-Signal. Nach Beendigung einer von einem Taktsignal definierten Ladephase des SAW-Resonators sperrt der Schalttransistor, und die Entladephase beginnt. Ab diesem Zeitpunkt bilden der SAW-Resonator und der parallel geschaltete Ausgangsschwingkreis, der in einem schaltungstechnisch besonders aufwandsarmen Ausführungsbeispiel als einziges Bauelement eine Induktivität enthält, ein freilaufendes System von zwei gekoppelten Schwingkreisen. Der SAW-Resonator selbst kann bekanntlich als Serienschwingkreis mit paralleler Kapazität dargestellt werden. Diese Kapazität bildet mit der externen Induktivität einen parallelen Schwingkreis, wodurch man die Parallelschaltung eines seriellen und eines parallelen Schwingkreises erhält und damit das erwähnte System von zwei gekoppelten Schwingkreisen. Weiter unten wird zur weiteren Erläuterung in diesem Zusammenhang das bekannte Butterworth-Van Dyke Modell des SAW-Resonators erläutert. Die in diesem Schwingkreis des SAW-Resonators gespeicherte Energie bewegt sich in der Entladephase zyklisch zwischen dem parallelen Schwingkreis und dem seriellen Schwingkreis im SAW Resonator hin und her, bis sie durch die Verluste in der Induktivität abklingt. In der Entladephase kann die vom SAW-Resonator gesammelte Energie daher über den Ausgangsschwingkreis abgegeben werden.
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Die Größe des ausgangsseitig als (internes) Aufwecksignal abgegebenen Wechselspannungsimpulses ist proportional dem mittleren Antennensignal während der Ladephase. Damit kann die Amplitude des eingehenden Signales durch geeignete nachfolgende Schaltungen ermittelt werden. Das Aufwecksignal in Form des Wechselspannungsimpulses ist in manchen Ausführungsformen beispielsweise um einen Faktor 20 größer ist als das Signal an der Antenne. Damit ist das Aufwecksignal genügend über das Rauschen angehoben, um weiter verarbeitet zu werden.
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Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Aufweckempfängerschaltung beschrieben.
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Der SAW-Resonator ist in Ausführungsbeispielen auf eine Frequenz in einem ISM-Band abgestimmt, beispielsweise in den ISM Bändern bei 439 MHz und 868 MHz.
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Er hat bevorzugt eine Frequenzbandbreite von weniger als 5 MHz um seine Mittelfrequenz. Alle Frequenzkomponenten des Antennensignales, welche mehr als diese Bandbreite von der Mittelfrequenz abweichen, tragen nicht zu der im SAW-Resonator gespeicherten Energie bei und werden somit von der Schaltung ignoriert. Auf diese Weise kann eine separate Filtereinheit eingespart werden. Desweiteren erfüllt die vorgeschlagene Anordnung die zentrale Anforderung an einen Funkempfänger, das relevante Frequenzband herauszufiltern. Besonders bevorzugt hat der SAW-Resonator eine Frequenzbandbreite von zwischen 1 und 2 MHz.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Aufweckempfängers ist das Taktsignal dem Schalttransistor über einen Tiefpass zugeführt. Damit wird eine unerwünschte Einspeisung von transienten Impulsen während des Schaltvorgangs des Schalttransistors vermieden.
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Eine bevorzugte Fortbildung der Erfindung bildet ein Empfänger mit einer Aufweckempfängerschaltung gemäß der Erfindung oder einem ihrer Ausführungsbeispiele, und mit einer Verstärkerschaltung, der an ihrem Eingang das Aufwecksignal zugeführt ist. Solche Empfängerschaltungen können durch die vorteilhafte Verwendung des Aufweckempfängers besonders sparsam im Energieverbrauch gestaltet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines solchen Empfängers, bei der das Taktsignal tiefpassgefiltert an den Schalttransistor des Aufweckempfängerschaltung geleitet wird, ist die Verstärkerschaltung ausgebildet, an ihrem Eingang anliegende Signale nur zu verstärken, wenn gleichzeitig ein Aktivierungssignal an einem Aktivierungseingang der Verstärkerschaltung anliegt. Der Verstärkerschaltung und der Aufweckempfängerschaltung ist in dieser Ausführungsform eine Steuerschaltung vorgeschaltet, der das Taktsignal zugeführt ist, und die ausgebildet ist, über eine Zeitspanne eines Abfallenes des tiefpass-gefilterten Taktsignals am Ende der Ladephase das Aktivierungssignal zu erzeugen und an die Verstärkerschaltung auszugeben.
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Eine weitere Fortbildung der erfindungsgemäßen Aufweckempfängerschaltung bildet ein Senderempfänger mit einem oben beschriebenen Empfänger oder einem seiner Ausführungsbeispiele und mit einer Sendeeinrichtung, die ausgebildet ist, Nutzdaten oder Steuerdaten über einen Funkkanal zu versenden.
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Ein Anwendungsfall solcher Empfänger oder Senderempfänger ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter Sensorknoten, der eine Sensoreinheit hat, die ausgebildet ist, Nutzdaten zu erfassen und abzuspeichern, und der eine mit der Sensoreinheit verbundene Aufweckempfängereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Ein solcher Sensorknoten kann besonders sparsam und damit besonders lange betrieben werden. Bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Sensorknotens verwenden eine der beschriebenen Fortbildungen der Aufweckempfängerschaltung in Form eines Empfängers, Senders oder eines Senderempfängers.
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Weitere Ausführungsbeispiele werden nachfolgend mit Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 ein schaltungstechnisches Modell eines SAW-Resonators nach Butterworth – van Dyke
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2 ein Ausführungsbeispiel der ersten Stufe einer Aufweckempfängerschaltung der vorliegenden Erfindung, welche die prinzipielle Funktion erläutert;
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3 Diagramme mit Signalen als Funktion der Zeit, die an unterschiedlichen Positionen der Schaltung aus 2 abgegriffen sind;
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4 ein Ausführungsbeispiel einer Aufweckempfängerschaltung; und
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5 Diagramme mit Signalen als Funktion der Zeit, die an unterschiedlichen Positionen der Schaltung der 4 abgegriffen sind;
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1 stellt ein schaltungstechnisches Modell nach Butterworth – van Dyke für einen "surface acoustic wave"(SAW)-Resonator dar. Der Resonator ist mit dem Bezugszeichen SAW gekennzeichnet. SAW-Resonatoren werden im Stand der Technik üblicherweise eingesetzt, um einen frequenzstabilen Oszillator zu implementieren. Sie werden von vielen Herstellern angeboten, typischerweise in den ISM Bändern bei 439 MHz und 868 MHz. Diese Bänder sind auch für drahtlose Sensorknoten geeignet.
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Das Modell des SAW-Resonators gemäß 1 enthält einen rechten, statischen Zweig mit einer Kapazität CS und einen dazu parallelen dynamischen Zweig mit einer Induktivität L, einer Kapazität C1 und einem Widerstand R. In diesem Modell des SAW-Resonators bildet der dynamische Zweig einen Serienschwingkreis, welcher auf die Resonatorfrequenz abgestimmt ist. Für viele Anwendungen ist eine Resonatorfrequenz von beispielsweise 433.9 MHz geeignet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein SAW-Resonator als Energiespeicher verwendet. Die vorliegend ausgenutzte Eigenschaft des SAW-Resonators, Energie zu akkumulieren, zeigt sich im Modell der 1 darin, dass eine zwischen den Eingangspunkten p1 und p2 anliegende Wechselspannung am Punkt B zwischen L und C1 anwächst, bis sie um den Gütefaktor Q des Schwingkreises größer als das Eingangssignal ist. Dies wird weiter unten anhand von 3B näher erläutert.
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Der Gütefaktor Q kommerziell erhältlicher SAW-Resonatoren liegt typischerweise in der Nähe von 10000. Wird ein Widerstand R von 50 Ohm in Reihe geschaltet, beträgt die Güte immer noch etwa 1000. Dieses ist der relevante Wert, wenn der Resonator an eine 50-Ohm Antenne angeschlossen wird.
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Nachfolgend wird parallel auf die 2 und 3 Bezug genommen. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Eingangsstufe 100 einer Aufweckempfängerschaltung der vorliegenden Erfindung. 3 zeigt in den Teilfiguren 3A bis 3C Diagramme mit Signalen als Funktion der Zeit, die an unterschiedlichen Positionen A, B und C der Schaltung aus 2 abgegriffen sind.
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Die Eingangsstufe 100 der 2 ist an eine Antenne 102 angeschlossen. Sie weist einen Schalttransistor 104 auf, der mit seinem Drain-Anschluss D mit der Antenne verbunden ist. Der Schalttransistor 104 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als nMOS-Feldeffekttransistor ausgeführt. Andere Transistortypen können verwendet werden. An seinem Gate-Anschluss G ist dem Schalttransistor ein Taktsignal CLK zugeführt, das hier über einen Tiefpass 106 mit einer Kapazität C8 und einem Widerstand R9 gefiltert wird. Ein SAW-Resonator 108 ist am Sourceanschluss des Schalttransistors 104 angeschlossen. Zum SAW-Resonstor 108 parallel geschaltet ist eine Induktivität L1, die ein Beispiel eines Ausgangszweiges 110 ist und die mit dem SAW-Resonstor, genauer gesagt mit dem statischen Zweig, insbesondere also der Kapazität CS im Modell des SAW-Resonators 108 einen parallelen Schwingkreis 110 bildet. Die Resonanzfrequenz dieses parallelen Schwingkreises ist auf die Resonatorfrequenz des SAW-Resonators 108 abgestimmt.
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Zur Verwendung der Begriffe Widerstand, Kapazität und Induktivität sei angemerkt, dass die jeweilige Dimensionierung des Schaltkreises maßgeblich dafür ist, ob diese Funktionselemente des Schaltkreises durch von dezidierte Bauelementstrukturen, also in Form ohmscher Widerstände, Kondensatoren bzw. Spulen realisiert sind, oder ob sie beispielsweise schon durch Leitbahnstrukturen und deren inhärente physikalische Eigenschaften realisiert sind, die das Vorsehen dezidierter Bauelementstrukturen unnötig machen.
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Als Dimensionierungsbeispiel für eine eine solche Eingangsstufe zum Betrieb bei einer Frequenz von 433.9 MHz seien folgende Werte der Funktionselemente genannt:
| C8 | 200 pF |
| R9 | 300 Ohm |
| L1 | 56 nF |
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Nachfolgend wird zusätzlich auf 3 Bezug genommen. Die dort dargestellten Ergebnisse eines Simulation beruhen auf der Annahme eines Eingangssignals mit einer Amplitude von 20uV, welches über einen Serienwiderstand von 50 Ohm (zur Simulation der Antenne) eingekoppelt wird.
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3A zeigt einen zeitlichen Abschnitt eines Schaltsignals nach Tiefpassfilterung, wie es am mit „A“ gekennzeichneten Punkt der Schaltung aus 2 auftritt, also am Gateanschluss des Schalttransistors 104. Das Schaltsignal in Einheiten von Volt ist über eine allen 3A bis 3C gemeinsame Zeitspanne von 4 Mikrosekunden dargestellt. Es weist in dieser Phase von etwa 1 bis etwa 3 Mikrosekunden einen hohen Pegel auf, zu anderen dargestellten Zeiten einen niedrigen Pegel. Die Hochphase des Schaltsignalpegels definiert eine Ladezeit des SAW-Resonators 108, wenn zeitgleich ein externes Aufwecksignal an der Antenne 102 empfangen wird. Denn während der Ladephase ist die Spannung (A) am Gate des Schalttransistors 104 hoch und dementsprechend leitet der Schalttransistor.
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Um die Einspeisung von transienten Impulsen während des Schaltvorganges zu vermeiden, wird der Anstieg der Kontrollspannung mit einem Tiefpass verlangsamt. Die Flanken des Schaltsignals sind durch die Filterung am Tiefpassfilter 106 entsprechend gerundet und zeigen eine Anstiegs bzw. Abfallsdauer im Bereich von 100 bis 300 Nanosekunden.
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Der Anstieg der gespeicherten Energie im SAW Resonator wird durch die per Simulation anhand des SAW-Modells der 1 ermittelte interne Spannung in 3B deutlich gemacht. Dabei wird dem Modell ein Widerstand R von 17 Ohm, eine Induktivität L von 77,9 µH, eine Kapazität C1 von 1,727 fF und eine Kapazität CS von 2.3 pF zugrundegelegt, womit eine Resonanzfrequenz von 433,9MHz, eine Frequenzbandbreite im Bereich von 1 bis 2 MHz und ein Gütefaktor von etwa 10000 (ohne Anschluss der Antenne) erzielt wird. Der Spannungsverlauf in 3B ist eine Größe, welche nur in der Simulation unter Verwendung des Butterworth – van Dyke Modelles auftritt und in einem tatsächlichen System nicht verfügbar ist. Sie wird hier nur dargestellt, um die Akkumalation von Energie im SAW Resonator zu illustrieren. Relevant für die angestrebte Funktion der Schaltung ist der Spannungsverlauf 3C, welcher bei Gültigkeit des Butterwoth – van Dyke Modelles der dargestellten Kurve entspricht.
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3B zeigt das Ansteigen der Spannung über die Dauer der Ladephase. Nach Beendigung der Ladephase (am hiesigen Beispiel nach einer Ladephase mit einer Dauer von 2 µs) sperrt der Schalttransistor 104, weil der Pegel des Taktsignals abfällt. Ab diesem Zeitpunkt bilden der SAW-Resonator 108 und der Ausgangszweig 110 mit der parallel geschalteten Induktivität L1 und der Kapazität CS ein freilaufendes System von zwei gekoppelten Schwingkreisen. Die im Serienschwingkreis des SAW-Resonators 108 gespeicherte Energie bewegt sich nun zyklisch zwischen dem parallelen Schwingkreis des Ausgangszweiges 110 und dem seriellen Schwingkreis 108 im SAW-Resonator hin und her, bis sie durch Verluste in der Induktivität abgeklungen ist. Dabei entsteht am Ausgang C ein erstes Maximum der Wechselspannung (vgl. 3C) von 400uV über dem SAW-Resonator 108. Gegenüber einem eingehenden Signalpegel von 20µV ist also eine Anhebung um einen Faktor 20 erzielt worden. Gleichzeitig sorgt der SAW-Resonator 108 für eine Filterung auf ein Band von 1 bis 2 MHz Breite um seine Mittelfrequenz (hier 433,9 MHz).
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Dieses erste Maximum des Signals der 3C bildet ein internes Aufwecksignal WU und kann dann weiter verstärkt und einer in 2 nicht dargestellten Energy-Detection-Einheit zugeführt werden.
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Durch eine passive Schaltung wird also das von der Antenne empfangene Eingangssignal im SAW-Resonator 108 akkumuliert und danach entladen und um einen Faktor von etwa 20 angehoben. Dabei wird es soweit über das Rauschen erhöht, dass eine weitere Verstärkung mit vergleichsweise anspruchslosen und energiesparsamen Schaltungen ausreichend ist. Wie oben beschrieben, ist gleichzeitig die Filterung auf das Band von 1 bis 2 MHz Breite um die Mittelfrequenz durchgeführt.
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Nachfolgend wird parallel auf die 4 und 5 Bezug genommen.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Teiles einer Aufweckempfängerschaltung 200.
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5 zeigt Diagramme mit simulierten Signalen als Funktion der Zeit, die an unterschiedlichen Positionen der Schaltung der 4 abgegriffen sind.
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Gegenüber 2 identische Bezugszeichen beziehen sich in 4 auf im Vergleich mit 2 identische Funktionselemente. Insofern wird auch auf die obige Beschreibung von 2 und 3 Bezug genommen.
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4 zeigt wesentliche Komponenten eines Aufweckempfängers, welches die Eingangsstufe der 2 mit einer geeigneten nachfolgenden Verstärkerstufe kombiniert. Die in 5 dargestellten Signal-Simulationen basieren auf einem Eingangssignal an der Antenne 102, welches eine Amplitude von 20µV hat, welches über einen Serienwiderstand der Antenne 102 von 50 Ohm eingekoppelt wird.
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Eine Steuerschaltung 212 generiert Steuersignale für den Rest der Schaltung. Sie wird von einem Taktgenerator über den Eingang 214, beispielsweise einem einfachen Uhrenquarz mit 32 MHz Taktfrequenz mit einem Taktsignal gespeist, das in 5A dargestellt ist. Eine steigende Flanke am Takteingang (clk) der Steuerschaltung Einganges (A) wird zuerst in das interne Schaltsignal umgewandelt, welches das Gate G das Schalttransistors 104 steuert und in 5B dargestellt ist. Der Anstieg ist durch Tiefpassfilterung optimiert, um transiente Impulse beim Schalten zu reduzieren. Die Tiefpassfilterung ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in die Steuerschaltung 212 integriert.
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Das interne Taktsignal (B) steuert den Schalttransistor 104. Das Signal (C) steuert den nachfolgenden Verstärker 216 (lna_npn). Dieser ist nur aktiv, wenn das Signal (C) hoch ist. Damit wird die Rauschempfindlichkeit reduziert, weil nur das Rauschen in diesem Zeitintervall für das Ergebnis relevant ist. Die fallende Flanke des Signals der 5B erzeugt ein nicht dargestelltes data_valid-Signal für die weitere digitale Verarbeitung. Dieses data_valid-Signal nimmt einen hohen Pegel an, wenn die Messung abgeschlossen ist, also bei der fallenden Flanke des Signals (C).
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Das in 5D dargestellte Signal zeigt analog zu 3B die interne Spannung im SAW-Modell, um den Ladevorgang zu illustrieren. Das in 5E dargestellte Signal (E) ist schließlich der Ausgang des Verstärkers 216. Das in 5F dargestellte Signal (F) zeigt die Spannung über dem SAW Resonator, welche einen Maximalwert von etwa 400 uV in der Nähe des Zeitpunktes 2,5 us zeigt. Da mittels Lade/Entladevorgang des SAW-Resonators 108 das Signal bereits um einen Faktor von 20 über das Rauschen angehoben wurde, kann dieser Verstärker stromsparsam ausgelegt werden. Merkmale in den Signalen (D) und (F) bei einem Zeitpunkt von etwa 0.1 us sind verbleibende Transienten durch den Schaltvorgang. Auf Grund der Ein/Auschaltung des Verstärkers mittels Signal (C) verfälschen diese nicht das Ausgangssignal (E).
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Um einen vollständigen Analogteil eines WURx mit diesem Aufbau zu erhalten, folgt in an sich bekannter Weise auf den Verstärker eine Energy-detection Einheit. Danach folgt beispielsweise in ebenfalls an sich bekannter Weise ein Komparator, welcher das gleichgerichtete Signal mit einem Schwellwert vergleicht. Schließlich folgt in ebenfalls an sich bekannter Weise ein Latch, welches das am Ausgang des Komparators abgreifbare Resultat des Vergleichs festhält, bis es bei der fallenden Flanke des Signals der 5C von der nachfolgenden Digitallogik ausgelesen wird. Der gesamte Vorgang wird bei jeder steigenden Flanke des clk-Einganges der Steuerschaltung 212 wiederholt. Damit erhält man in regelmäßigen Abständen die Information, ob ein an der Antenne eingegangenes Signal während der Ladephase über dem Schwellwert liegt. Die Komponenten Energydetection Einheit, Komparator und Latch sind einfachheitshalber nicht in 4 dargestellt.
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Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird demnach ein SAW-Resonator mittels eines Schalttransistors an eine Antenne angeschlossen. In einer Ladephase sammelt der SAW-Resonator Energie von dem eingehenden RF Signal. In einer folgenden Entladephase wird die gesammelte Energie über einen parallelgeschalteten Schwingkreis abgegeben. Dieses liefert einen Wechselspannungsimpuls, welcher typischerweise um einen Faktor 20 größer ist als das Signal an der Antenne. Damit ist das Signal des Wechselspannungsimpulses genügend über das Rauschen angehoben, um weiter verarbeitet zu werden. Die Größe des Wechselspannungsimpulses ist dem mittleren Antennensignal während der Ladephase proportional. Damit kann die Amplitude des eingehenden Signals durch geeignete nachfolgende Schaltungen ermittelt werden. Dieses ist z. B. für die Demodulation eines amplitudenmodulierten Trägers relevant, sowie für den Vergleich der Signalamplitude mit einem Schwellwert bei Verwendung von on-off keying (OOK).
