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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zum gleichzeitigen Senden und Empfangen, die eine Verstärkungseinrichtung
mit einem Ausgang zum Senden von Signalen, einem Eingang zum Empfang
von Signalen, und einer Versorgungsleitung und einer Antenne zum
Senden und Empfangen von Signalen aufweist, wobei die Antenne mit
dem Ausgang der Verstärkungseinrichtung
verbunden ist.
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Auf einem Chip integrierte Schaltungen,
die über
einen getrennten Sende- und Empfangspfad von Funksignalen verfügen, werden
Transceiver genannt. Transceiver lassen sich je nach Anwendungsbereich
in zwei unterschiedliche Klassen unterteilen. Transceiver, die in
der Lage sind, Funksignale zu senden und gleichzeitig Funksignale
von einem zweiten Sender zu empfangen, werden „Full-Duplex" Transceiver genannt.
Die andere Klasse unterstützt keinen
Full-Duplex-Betriebsmodus, sondern kann entweder nur senden oder
empfangen.
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Ein Beispiel eines solchen Transceivers
ist in 9 gezeigt. Dabei
enthält
der Bereich E einen Teil des Empfangspfads, der Bereich S einen
Teil des Sendepfads. Beim Senden von Daten schaltet eine Oszillatoreinrichtung
VCO (Voltage Controlled Oscillator) auf eine Frequenz fTX.
Ein Leistungsverstärker PA
verstärkt
das modulierte Signal und sendet es über eine Antenne ANT des Sendepfads
aus. Sollen Daten empfangen werden, so schaltet die Oszillatoreinrichtung
VCO auf eine andere zweite Frequenz fRX und
speist dieses Signal als LO-Eingang in eine Einrichtung zur Frequenzumsetzung
MIXER des Empfangspfads. Die Mischeinrichtung MIXER des Empfangspfads
E setzt ein empfangenes und von einem Verstärker LNA verstärktes Signal
auf eine Zwischenfrequenz FIF um. Das umgesetzte
Signal wird gefiltert und zur weiteren Verarbeitung einem IQ-Demodulator
zugeführt.
Durch die Notwendigkeit, die Oszillatoreinrichtung VCO zum Senden
oder Empfangen von Daten auf verschiedene Frequenzen umschalten
zu müssen,
ist es nicht möglich,
gleichzeitig zu senden und empfangen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
eine Anordnung und ein Verfahren zum gleichzeitigen Senden und Empfangen
von Funksignalen vorzusehen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
der nebengeordneten Patentansprüche
gelöst.
Weitere vorteilhafte Anwendungsbeispiele der Erfindung sind in den
Unteransprüche
angegeben.
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Zur Lösung der Aufgabe ist eine Schaltungsanordnung
vorgesehen, die eine Verstärkungseinrichtung
und eine Antenne aufweist, wobei die Antenne mit dem Ausgang der
Verstärkungseinrichtung verbunden
ist. Die Verstärkungseinrichtung
weist einen Eingang für
zu verstärkende
Signale und eine Versorgungsleitung für einen Versorgungsstrom oder eine
Versorgungsspannung auf. Der Ausgang der Verstärkungseinrichtung ist der Eingang
für über die Antenne
empfangene Signale und die Versorgungsleitung ist der Ausgang für diese
empfangenen, von der Verstärkungseinrichtung
auf die Stromversorgung umgesetzten Signale.
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Zum gleichzeitigen Senden und Empfangen von
Funksignalen wird die Verstärkungseinrichtung in
einem überkritischen
Bereich betrieben. Am Eingang der Verstärkungseinrichtung wird das
zu sendende Signal mit nicht verschwindender Amplitude angelegt.
Ein zweites gleichzeitig empfangenes Signal gelangt über die
Antenne an den Ausgang der Verstärkungseinrichtung
und wird durch den überkritischen
Betrieb der Verstärkungseinrichtung
auf den Versorgungsstrom umgesetzt. Dadurch wird der Versorgungsstrom
mit dem empfangenen Signal moduliert und kann zur weiteren Auswertung
verarbeitet werden. Vorteilhaft ist es, die Umsetzung als Modulation
eines Spannungsabfalls auf einem Teilabschnitt der Versorgungsleitung
auszubilden.
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Vorteilhaft ermöglicht die Erfindung ferner
einen Verzicht auf eine Empfangsantenne, eine zweite Verstärkungseinrichtung
und Mischeinrichtung. Durch Abschalten der modulierten Sendedaten
läßt sich
die erfindungsgemäße Ausgestaltung
in einer Schaltung verwenden, die digital modulierte Daten zu einem
Zeitpunkt empfängt
und zu einer anderen Zeit sendet und dabei weiterhin einen Verzicht
auf Teile des Empfangspfads ermöglicht.
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Besonders vorteilhaft für die Empfangsqualität ist es,
wenn das gesendete und empfangene Funksignal aus FSK-modulierten
Daten besteht. Eine weitere Anwendung der Erfindung ist die Aussendung
eines Signals über
die Antenne an ein zweites Objekt und die Messung eines reflektierten
Teils des gesendeten Signals. Dies ermöglicht der erfindungsgemäßen Gestaltung
eine zeitliche Veränderung
des zweiten Objekts zu detektieren. Vorteilhaft läßt sich damit
eine Bewegung innerhalb des von der Antenne erfaßten Gebiets registrieren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand konkreter
Ausführungs- und Anwendungsbeispiele unter
Zuhilfenahme der Zeichnung im Detail erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild der Erfindung,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3, 4 Erläuterungen zur Funktionsweise der
Frequenzumsetzung in der Erfindung,
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5 eine
Ausgestaltung eines sich zeitlich veränderndes Meßobjekts,
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6 Ein
Messergebnis eines Empfangssignals an einem Ausführungsbeispiels
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7, 8 Meßergebnisse verschiedener Anwendungen
an der in 2 gezeigten
Ausgestaltung.
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9 eine
bekannte Anordnung eines Transceivers,
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1 zeigt
einen schematischen Aufbau der Erfindung. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
besteht aus einem Sendepfad TX und einem Empfangspfad RX. Die zu
sendenden Signale werden über
eine Anordnung PLL auf den Eingang einer Verstärkungseinrichtung PA gelegt.
Die Verstärkungseinrichtung
ist im vorliegenden Fall als überkritischer
C/E-Leistungsverstärker ausgebildet,
der die zu sendenden Signale verstärkt und über die Antenne A aussendet.
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Der Empfängerpfad RX, an dessen Ende
die empfangenen Daten weiterverarbeitet werden, weist eine Filtereinrichtung
F, eine Begrenzungseinrichtung L und eine Demodulationseinrichtung
D zur Demodulation der empfangenen Signale auf. Der Eingang der
Filtereinrichtung F ist mit einer Gleichstromversorgungsleitung
DC der Verstärkungseinrichtung verbunden.
Die Versorgungsleitung DC weist eine Spannung VCC zur Versorgung
der Verstärkungseinrichtung
während
des Betriebs auf.
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Ein über die Antenne A empfangenes
Signal wird an den Ausgang der Verstärkungseinrichtung PA-OUT gelegt.
Aufgrund einer Nichtlinearität
der Verstärkungseinrichtung
in einem überkritischen
Betriebsmodus ist der Stromverbrauch abhängig von der Ausgangsleistung
der Verstärkungseinrichtung PA.
Ein über
die Antenne A in den Ausgang der Verstärkungseinrichtung laufendes
Signal interferiert mit einem aus dem Verstärker kommenden Signal. Die Ausgangsleistung
des Verstärkers ändert sich
dadurch. Dieser Vorgang ist beispielhaft in 4 erläutert
.
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In 4A ist
eine von der Verstärkungseinrichtung
kommendes sinusförmiges
Signal gezeichnet. Die Pfeilrichtung gibt die Ausbreitungsrichtung des
Signals an. 4B zeigt
ein empfangenes in die Verstärkungseinrichtung
hineinlaufendes Signal, dargestellt durch eine sinusförmige Welle,
das gegenüber
dem vorlaufenden Signal einen Phasenversatz von 180° aufweist.
Es ergibt sich somit eine in 4C gezeigte
destruktive Interferenz, bei der die Amplitude der resultierenden
Welle geringer ist als die Amplitude des ursprünglichen Ausgangssignals der 4A.
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Dadurch wird der Stromverbrauch der
Verstärkungseinrichtung
dem empfangenen Signal entsprechend moduliert. Bei sinkender Ausgangsleistung
der Verstärkungseinrichtung
steigt der Versorgungsstrom, bei steigender Ausgangsleistung sinkt der
Versorgungsstrom.
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Der Vorgang einer Übertragung
der Auswirkung einer Interferenz auf den Versorgungsstrom wird als
Frequenzumsetzung auf den Versorgungsstrom bezeichnet. Handelt es
sich bei dem empfangenen Signal um ein moduliertes Signal, so wird
die Modulation durch die Verstärkungseinrichtung
PA auf den Versorgungsstrom umgesetzt. Ein solches Beispiel mit
konkreten Frequenzwerten ist in der spektralen Darstellung der 3A zu sehen. Das dort beschriebene
empfangene Signal RX1 hat auf der Abszisse eine Mittenfrequenz von
434,02 MHz und ist mit einer Frequenzabweichung von +/–50 kHz
so moduliert, daß die
möglichen
binären
Zustände
um 50 kHz in positiver oder negativer Richtung von der Mittenfrequenz
abweichen.
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Das von der Verstärkungseinrichtung zu sendende
Signal ist ein monofrequentes Signal CW und besitzt eine Mittenfrequenz
von 433,92 MHz. Dadurch wird das empfangene Signal RX1 auf den Versorgungsstrom
mit einer Mittenfrequenz von 100 kHz umgesetzt. Der Versorgungsstrom
besitzt neben dem Gleichstromanteil einen Wechselstromanteil RX2,
der je nach Dateninhalt entweder mit 50 kHz oder 150 kHz moduliert.
Der Gleichstromanteil des Versorgungsstroms liegt auf der mit P
gekennzeichneten Ordinate. Die Modulation auf der Stromversorgung wird
von der Filtereinrichtung herausgefiltert und von den nachfolgenden
Einrichtungen weiterverarbeitet.
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Werden anstatt kontinuierlicher Signale
CW modulierte Signale FSK von der Verstärkungseinrichtung verstärkt, so
erfolgt eine Umsetzung empfangener Signale auf die Stromversorgung
der Verstärkungseinrichtung
gemäß des Spektrums
der 3B. Das zu verstärkende Sendesignal
besteht hier aus einem FSK-modulierten
Datensignal bei der Sendefrequenz 433,92 MHz und einer Frequenzabweichung von
+/–5 kHz.
Das von der Antenne empfangene, an den Ausgang der Verstärkungseinrichtung
angelegte Signal RX1 weist die gleichen spektralen Eigenschaften
zu dem in der 3A empfangenen
Signal auf. Neben der aus 3A bekannten
Umsetzung enthält
das Spektrum der 3B drei
weitere Bereiche, die ihren Ursprung in der Umsetzung des modulierten Sendesignals
FSK auf den Versorgungsstrom haben.
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Auf den das Empfangssignal repräsentierenden
Wechselstromanteil RX2 des Versorgungsstroms von 50 bzw. 150 kHz
ist jeweils ein weiterer Wechselstrom RX3 moduliert, der die Frequenz
des empfangenen Signals jeweils nach Dateninhalt des zu sendenden
Signals um plus oder minus 5 kHz verändert. Zusätzlich enthält auf der Ordinate liegende Gleichstromanteil
eine Wechselstromanteil, der mit +5 kHz moduliert und den Dateninhalt
der gesendeten Daten FSK aufweist.
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Der große Unterschied in der Frequenzabweichung
und zwischen dem zu sendenden FSK und dem empfangenen Signal RX1
ermöglicht
eine problemlose Demodulation und Rekonstruktion der gesendeten
Daten. Dadurch ist es möglich,
gleichzeitig Senden und Empfangen zu können.
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Durch Anlegen eines kontinuierlichen
nicht modulierten Signals an den Eingang der Verstärkungseinrichtung
läßt sich
vorteilhaft eine Anordnung ausbilden, die ein moduliertes Si gnal
empfängt,
dabei jedoch nur ein nicht moduliertes Signal sendet.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist nicht
auf das Senden oder Empfangen von FSK-Daten beschränkt, sondern
kann für
das Senden und Empfangen beliebig digital modulierter Signale verwendet
werden.
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Eine konkrete Ausführungsform
der frequenzumsetzenden Verstärkungseinrichtung
ist in 2 gezeigt. Gleiche
Elemente besitzen die gleichen Bezugszeichen. Auf eine erneute Beschreibung
ihrer Funktion wird daher verzichtet.
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Die Verstärkungseinrichtung PA ist gemäß einer üblichen
Anordnung ausgebildet, die bei einer Frequenz von 434 MHz verstärkt und
sendet. Mit seinem Kollektorausgang PA-OUT ist er über eine
Spule L1 und einen Kondensator C1 mit einer Antenne A verbunden.
Die Spule L1 und der Kondensator C1 bilden mit zwei weiteren Kondensatoren
C2 ein Anpaßnetzwerk,
um die Impedanz des Kollektorausgangs des Verstärkers PA-OUT an die Impedanz
der Antenne A anzupassen. Der Emitter-Ausgang des Verstärkers GND
ist mit Masse verbunden. Die Stromversorgung VCC ist über einen
Widerstand R1 und eine Spule L2 mit dem Emitter-Ausgang des Verstärkers PA-OUT
verbunden. Zwischen Widerstand R1 und Spule L1 ist eine Auswerteeinrichtung
angeschlossen, die im vorliegenden Fall aus einer Filtereinrichtung
und Verstärker
F sowie einem Oszilloskop 0 ausgebildet ist.
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Mit der Versorgungsleitung VCC ist
vor und nach dem Widerstand R1 jeweils ein Kondensator C3 verbunden,
deren zweite Anschlüsse
mit Masse verbunden ist. Der Kondensator C3 ist ein Hochpaß für das auf
die Stromversorgung umgesetzte Empfangssignal. Die Spule L1 ist
als Tiefpaß ausgebildet
und verhindert eine Einkopplung der Trägerfrequenz von 434 MHz. Der
Widerstand R1 dient als Strom/Spannungswandler und bildet die Stromverbrauch
der Verstärkungseinrichtung
auf eine Span nung ab, die von der Filtereinrichtung F und dem Oszilloskop
0 als Spannungsmodulation detektiert wird. In diesem Zusammenhang
ist eine alternative Ausgestaltung, die Schaltungsanordnung mit
einer Detektionseinrichtung zu versehen, die die Modulation des
Versorgungsstroms registriert. Die dargestellten Werte sind eine
beispielhafte Ausführungsform,
mit der die Erfindung ausführbar
ist. Der Gedanke der Erfindung ist dabei nicht auf die dargestellte
Ausbildung beschränkt,
sondern läßt sich
insbesondere für
weitere Verstärkungseinrichtungen
realisieren.
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Eine Messung einer Frequenzumsetzung
eines empfangenen Signals auf die Versorgungsspannung mittels des
Oszilloskops ist in 7 beispielhaft gezeigt.
Ein zweiter Sender sendet dabei ein FSK-moduliertes rechteckförmiges Signal
mit einer Datenrate von 1 kHz, zu sehen im Kanal 2 des Oszilloskops
der 7. Kanal 1 des Oszilloskops
zeigt die Modulation der Versorgungsspannung der Verstärkungseinrichtung,
die dem Dateninhalt des empfangenen Signals entspricht. Die Modulation
der Spannungsversorgung ist dabei 50 kHz, entsprechend einer Frequenzabweichung
von –50
kHz für
einen digitalen Zustand des ursprünglich empfangenen Datensignals
oder 150 kHz entsprechend +50 kHz Frequenzabweichung für den anderen
Zustand.
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Das von der Verstärkungseinrichtung gesendete
modulierte Signal mit einer Frequenzabweichung von 5 KHz hat dabei
keinen Einfluß auf
die Empfangsqualität.
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Neben der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
zum gleichzeitigen Senden und Empfangen digital modulierter Signale
lassen sich weitere Anwendungsmöglichkeiten
finden, die das erfindungsgemäße Merkmal
verwenden, ein von einer Antenne empfangenes und auf den Ausgang
einer Verstärkungseinrichtung
gegebenes Signal durch die Verstärkungseinrichtung
auf einen Versorgungsstrom der Verstärkungseinrichtung umzusetzen.
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Beispielsweise ist es möglich, mit
der Verstärkungseinrichtung über die
Antenne ein Signal an ein zweites Objekt zu senden. Das Objekt reflektiert einen
Teil des Signals zurück
an die Verstärkungseinrichtung,
wo durch ein unterschiedliches Reflexionsverhalten des Objekts Informationen übertragen
werden. Die rückreflektierte
Welle interferiert am Ausgang des Verstärkers mit dem vorlaufenden
Signal und erzeugt dadurch eine Modulation des Versorgungsstroms.
Als mögliche
Ausgestaltungsformen eines solchen Objekts, das sein Reflektionsverhalten abhängig von
der zu übertragenden
Information ändert,
seien Druck- oder Temperatursensoren genannt.
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Eine konkrete Ausführungsform
zeigt 5. Dieses Objekt
erzeugt ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von 1 kHz durch den
Aufbau eines Inverters HCT mit Schmitt-Trigger Eingangscharakteristik, der
zusammen mit dem Widerstand R2 und dem Kondensator C4 einen RC-Oszillator
ausbildet. Das Tastverhältnis
des Rechtecksignals ist kleiner als 50%. Bei einem „High" am Ausgang des Oszillators fließt über den
Widerstand R3 ein geringer Strom, wodurch sich die Impedanz der
Pin-Diode PD in
niederohmige Richtung verschiebt. Dadurch ändert sich das Reflektionsverhalten
der Diode mit 1 kHz. Es ist möglich,
bei rein passiven Objekten auf einen Betriebsstrom zu verzichten,
sondern die benötigte
Energie aus dem vorhandenen Sendefeld zu entnehmen, oder die Impedanzänderung
durch Änderung anderer
Parameter zu erreichen.
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Denkbar ist auch mit rein passiven
Elementen, eine Reflexionsänderung
zu erreichen, die nur auf äußere Einflüsse wie Änderungen
der Temperatur, des Luftdrucks oder der -Zusammensetzung reagieren.
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Sendet die in 2 gezeigte erfindungsgemäße Ausgestaltung
ein nicht moduliertes Signal über
die Antenne an das Objekt, so verändert sich aufgrund des Reflektionsverhaltens
die Amplitude und Phase des zurückreflektierten
Signals. Dies führt zu
einer in 6 Kanal 2 gezeigten
Modulation des Versor gungsstroms. Kanal 1 der 6 zeigt dabei das Rechtecksignals des
Objekt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung ist die Ausbildung als Sende- und Empfangsstation
zur Detektion von Bewegung in einem Raum. Hierbei wird von der Verstärkungseinrichtung ein
Signal über
die Antenne in einen von der Antenne umfaßten Bereich ausgesendet. Enthält der erfaßte Bereich
keine sich bewegenden Objekte, so stellt sich eine feste Feldverteilung
innerhalb des Bereichs und damit ein fester Versorgungsstrom der
Versorgungseinrichtung ein.
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Durch Bewegung eines Objekts innerhalb des
Bereichs ändert
sich aufgrund eines Reflektionsverhaltens die Feldverteilung, was
zu einer Änderung des
Versorgungsstroms der Verstärkungseinrichtung führt.
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Ein Test einer solchen erfindungsgemäßen Ausgestaltung
ist in 8 durch den zeitlichen
Verlauf des Versorgungsstroms abgebildet. 8A zeigt den zeitlichen Verlauf des Versorgungsstroms
an der Verstärkungseinrichtung,
wobei innerhalb des von der Antenne erfaßten Bereichs keine Bewegung stattfindet.
In 8B wurde im erfaßten Bereich
eine Hand leicht bewegt.
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Der Kerngedanke ist dabei nicht auf
die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele
eines gleichzeitigen Sendens und Empfangens von Signalen erschöpfend offenbart.
Insbesondere läßt sich
die Erfindung in einer Anordnung verwenden, die für einen nicht
gleichzeitigen Sende- und Empfangsbetrieb ausgebildet ist.