DE19634486C2 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer amplitudenmodulierten Schwingung - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer amplitudenmodulierten Schwingung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer amplitudenmodulierten Schwingung, insbesondere für ein Diebstahlschutzsystem eines Kraftfahrzeugs. Mit einer solchen Schaltungsanordnung werden Daten- und Energiesignale ausge­ sendet.
Bei einer bekannten Schaltungsanordnung (US 5,287,112) werden Energiesignale bei einer ersten Frequenz und Datensignale bei einer zweiten Frequenz zu einem Transponder übertragen. Zur Daten- und Energieübertragung weist die Schaltungsanordnung einen Schwingkreis auf, durch dessen Spule ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt wird. Der Schwingkreis muß allerdings für beide Frequenzen ausgebildet sein, damit eine möglichst ef­ fektive Übertragung stattfinden kann.
In einer mit der ersten Spule induktiv gekoppelten Spule ei­ nes weiteren Schwingkreises in einem tragbaren Transponder wird infolge des Magnetfeld eine hochfrequente Schwingung er­ zeugt, aus der Energie und Daten des ersten Schwingkreises zurückgewonnen werden. Damit die Daten- und Energieübertra­ gung möglichst effektiv ist, wird die Güte des Schwingkreises des Transponders durch aufwendiges Hinzuschalten eines Kon­ densators und einer Spule verändert.
Eine weitere bekannte Schaltungsanordnung (DE 44 34 240 C1) wird als dynamische Modulationsvorrichtung verwendet. Bei dieser sendet eine hochfrequente Erregereinrichtung ein hochfrequentes Signal aus, das ein Ab­ fragefeld erzeugt. Dieses Abfragefeld erregt in einem Schwing­ kreis eines Transponders eine Schwingung. Die dabei in einer Spule induzierten Spannung wird einerseits zur Energieversor­ gung des Transponders und andererseits zur Modulation verwen­ det. Die Schwingung wird im Rhythmus der abzufragenden Nutz­ signale mit Hilfe eines Widerstands belastungsmoduliert. Die Belastung oder die Bedämpfung des Schwingkreises hängt dabei von der Größe der in der Spule induzierten Spannung ab. Das gleiche gilt für die Energieentnahme.
Diese bekannte Schaltungsanordnung dient zur dynamischen Mo­ dulation, bei der die Höhe der Modulationsamplituden (Modu­ lationsgrad) von der Größe der empfangenen Energie abhängig ist. Dabei ist es relevant, ob kurze oder lange Distanzen zwischen dem Sender und dem Transponder vorhanden sind. Dies gleicht der Transponder bezüglich Daten und empfangene Ener­ gie dynamisch aus.
Das Problem der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer amplitudenmodulierten Schwingung zu schaf­ fen, die einfach aufgebaut ist und mit der möglichst effektiv Daten und Energie übertragen werden können.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Pa­ tentanspruch 1 gelöst. Dabei wird eine konstante Träger­ schwingung durch einen Generator erzeugt und durch einen Mo­ dulator in ihrer Amplitude moduliert. Beim Modulieren wird in einem logische Zustand ein Dämpfungsglied RD zugeschaltet und im anderen logischen Zustand nicht. Somit wird eine amplitu­ denmodulierte Schwingung erzeugt, deren Amplitude im ersten logischen Zustand abgeschwächt bzw. im zweiten logischen Zu­ stand nicht abgeschwächt ist. Durch geeignete Wahl des Dämp­ fungsglieds kann die abgestrahlte Energie in einem weiten Be­ reich variiert und gut an den Anwendungsfall angepaßt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung bei Verwendung in einem Diebstahl­ schutzsystem für ein Kraftfahrzeug,
Fig. 2a und 2b: Zeitverläufe von amplitudenmodulierten Schwingungen und
Fig. 3 und 4: Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach Fig. 1.
Bei einem Diebstahlschutzsystem oder einer Wegfahrsperre für ein Kraftfahrzeug werden benutzerspezifische Codesignale von einem Schlüssel 1 (Fig. 1) zu einem Schloß 2 im Kraftfahr­ zeug übertragen. Bei korrektem Codesignal weist der Schlüssel 1 seine Berechtigung nach (Authentifikation), damit das Fahr­ zeug geöffnet und gestartet werden kann. Damit das Schloß 2 bereit gemacht wird, das Codesignal zu empfangen, wird zu­ nächst ein Anforderungssignal von dem Schloß 2 zu dem Schlüs­ sel 1 gesendet.
In dem Schlüssel 1 wird daraufhin das Codesignal erzeugt und zurück zu dem Schloß 2 übertragen. Da der Schlüssel 1 keine eigene Stromversorgung in Form einer Batterie besitzt, wird Energie in dem Anforderungssignal zu dem Schlüssel 1 übertra­ gen, die ausreichend sein muß, um das Codesignal zurückzusen­ den.
Für die Energieübertragung ist es wichtig, daß zumindest so­ viel Energie zum Schlüssel 1 gelangt, wie für die Rücküber­ tragung des Codesignals benötigt wird. Damit im Schloß 2 nicht zuviel Energie für das Anforderungssignal aufgewendet werden muß, sollte die Übertragung möglichst effektiv verlau­ fen.
Hierzu weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung im Schloß 2 einen Schwingkreis 3 auf, der aus einer Antenne 4 in Form einer Spule und einem Kondensator 5 besteht. Dieser Schwingkreis 3 wird von einem Generator 6, der mit einer hochfrequenten Trägerschwingung 7 (vgl. Fig. 3 und 4) schwingt, zum Schwingen mit dergleichen Frequenz angeregt. Die Trägerschwingung 7 wird von einem Modulator 8 moduliert und dem Schwingkreis zugeführt. Der Generator 6 und der Modu­ lator 8 werden von einer Spannungsquelle 9 mit Energie ver­ sorgt.
Durch den Schwingkreis 3 wird ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt, durch das die modulierte Schwingung zu dem Schlüssel 1 übertragen wird. Der Schlüssel 1 weist ebenfalls einen Schwingkreis 10 mit einer Spule 11 und einem Kondensator 12 auf, in dem infolge der empfangenen modulierten Schwingung eine entsprechende Schwingung erregt wird. Eine Auswerteein­ heit 14 in dem Schlüssel 1 entnimmt dieser Schwingung Ener­ gie, durch die ein Energiespeicher 15, z. B. in Form eines Kondensators oder eines wiederaufladbaren Akkumulators, auf­ geladen wird.
Wenn der Energiespeicher 15 genügend aufgeladen ist, so wird die Auswerteeinheit 14 wiederum aktiv, um ein Codesignal zu erzeugen, das über den Schwingkreis 10 im Schlüssel 1 zurück zu dem Schwingkreis 3 im Schloß 2 übertragen wird. Ein Demo­ dulator 16 im Schloß 2 wertet die empfangene Schwingung aus und steuert bei Übereinstimmung des empfangenen Codesignals mit einem erwarteten Codesignal ein Sicherheitsaggregat 17 mit einem Freigabesignal an. Das Sicherheitsaggregat 17 kann zum Beispiel eine Motorsteuerung sein, die bei Freigabe durch den Demodulator 16 aktiviert wird, so daß das Kraftfahrzeug gestartet werden kann.
Zum Übertragen von digitalen Signalen 18 (vgl. Fig. 3 und 4) in binärer Form (Werte 0 und 1 mit den Pegeln L und H) wird die Trägerschwingung 7 amplitudenmoduliert (amplituden­ modulierte Schwingung 19). Üblicherweise wird die Träger­ schwingung 7 im Rhythmus des digitalen Signals eingeschaltet und ausgeschaltet (Fig. 2a). Dann beträgt die Amplitude ûL = 0V im L-Pegel. Die Amplitude ûH im H-Pegel ist etwa gleich der Amplitude der Trägerschwingung 7 (z. B. ûH = +5 V). D. h. nur während einer vorbestimmten Impulsdauer ist eine Schwin­ gung vorhanden und in einer Impulspause nicht. Die Impulsdau­ er kann dabei einem oder mehreren Bits des digitalen Signals 18 (entspricht der Hüllkurve von Fig. 2a) entsprechen.
Der Modulationsgrad m ist bekanntermaßen das Verhältnis der Amplituden der Signalschwingungen zur Amplitude der unmodu­ lierten Trägerschwingung 7:
wobei bei digitalen Signalen 18 ûH die größte Amplitude (H- Pegel) und ûL die kleinste Amplitude (L-Pegel) ist.
Bei der amplitudenmodulierten Schwingung, wie sie in der Fig. 2a dargestellt ist, beträgt der Modulationsgrad m etwa 1. Bei einer solchen amplitudenmodulierten Schwingungen wird nur im H-Pegel Energie übertragen.
Wird im Schlüssel 1 mehr Energie benötigt, so wird erfin­ dungsgemäß auch im L-Pegel Energie zum Schlüssel 1 übertragen (vgl. Fig. 2b). Dabei ist auch im L-Pegel eine Schwingungs­ amplitude vorhanden, die sich jedoch von der Schwingungsam­ plitude des H-Pegels unterscheidet. Bei einer solchen ampli­ tudenmodulierten Schwingung 19 beträgt der Modulationsgrad m wesentlich weniger als 1 (in Fig. 2b ist m etwa 0,35).
Die Amplitude im L-Pegel kann dabei je nach Energiebedarf an­ gepaßt werden. Allerdings müssen sich die Schwingungsamplitu­ den im L-Pegel und im H-Pegel deutlich unterscheiden, damit das binäre Signal aus der amplitudenmodulierten Schwingung 19 demoduliert werden kann. Durch Ändern der Schwingungsamplitu­ de im L-Pegel kann die Höhe der abgestrahlten Energie einfach verändert werden, ohne daß die maximale Schwingungsamplitude im H-Pegel verändert wird.
Eine solche amplitudenmodulierte Schwingung 19 wird erfin­ dungsgemäß mit einer Schaltungsanordnung, wie sie prinzipiell in der Fig. 3 dargestellt ist, erzeugt. Dabei wird die Trä­ gerschwingung 7 einer Gegentakt-Verstärkerstufe 20, bestehend aus zwei komplementären Transistoren T1 und T2 über deren Ba­ sis-Vorwiderstände RB zugeführt. Der zweite Transistor T2 verstärkt dabei nur die positive Halbwelle der Trägerschwin­ gung 7 und der erste Transistor T1 nur die negative Halbwel­ le.
Am Ausgang der Gegentakt-Verstärkerstufe 20 (Verbindungspunkt der beiden Transistoren T1 und T2 oder auch als Mittenan­ schluß bezeichnet) liegt die Trägerschwingung 7 mit verstärk­ ter Amplitude vor. Die Trägerschwingung 7 wird der Antenne 4 über ein Dämpfungsglied RD (hier als ohmscher Widerstand rea­ lisiert) zugeführt, wodurch der Schwingkreis mit einer Fre­ quenz gleich der Frequenz der Trägerschwingung 7 zum Schwin­ gen angeregt wird.
Um nun eine amplitudenmodulierte Schwingung 19 mit Amplituden ûH < ûL < 0V zu erzeugen, ist ein Schalter 21 vorgesehen, der parallel zu dem Dämpfungsglied RD angeordnet ist. Der Schal­ ter 21 wird im Rhythmus des digitalen Signals 18 ein- und ausgeschaltet. Somit gelangt die Trägerschwingung 7 mit unge­ änderter Amplitude im geschlossenen Zustand des Schalters 21 zu der Antenne 4. Ist der Schalter 21 dagegen geöffnet, so wird die Trägerschwingung 7 durch das Dämpfungsglied RD abge­ schwächt und gelangt dann zur Antenne 4. Somit entsteht also die amplitudenmodulierte Schwingung 19, bei der im L-Pegel eine Amplitude ûL < 0V vorhanden ist, so daß auch im L-Pegel Energie übertragen wird.
Das Dämpfungsglied RD kann als ohmscher Widerstand realisiert sein oder als funktionell gleichwertiges Bauelement, durch das die Amplitude der Trägerschwingung 7 verkleinert wird, wenn das Dämpfungsglied RD aktiv ist, d. h. wenn die Träger­ schwingung 7 über das Dämpfungsglied RD geführt wird.
In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dargestellt. Elemente gleicher Funktion sind dabei mit denselben Bezugszeichen ver­ sehen wie in der Fig. 3.
Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird zusätzlich zur ersten Gegentakt-Verstärkerstufe 20 mit den Transistoren T1 und T2 eine zweite Gegentakt-Verstärkerstufe 22 mit Transi­ storen T3 und T4 mit dazugehörigen weiteren Basisvorwider­ ständen RB verwendet. Die Trägerschwingung 7 wird über den Schalter 21 abwechselnd den beiden Gegentakt-Verstärkerstufen 20 bzw. 22 zugeführt, wobei der Ausgang der ersten Gegentakt- Verstärkerstufe 20 über das Dämpfungsglied RD und der Ausgang der zweiten Gegentakt-Verstärkerstufe 22 unmittelbar mit dem Schwingkreis 3 mit der Antenne 4 verbunden ist.
Der Schalter 21 wird im Rhythmus des digitalen Signals 18 zwischen den beiden Gegentakt-Verstärkerstufen 20 und 22 hin- und hergeschaltet. Das digitale Signal 18 wird seinerseits über den Modulator 8 zugeführt. Somit entsteht eine amplitu­ denmodulierte Schwingung 19, deren Schwingungsamplituden so­ wohl im L-Pegel als auch im H-Pegel größer als 0V sind. Daher wird in beiden Pegeln Energie übertragen.
Wenn eine der Gegentakt-Verstärkerstufen 20 oder 22 gerade nicht aktiv ist, so befinden sich ihre Transistoren T1, T2 bzw. T3, T4 in einem sogenannten Tri-State-Zustand, das heißt einem offenen Zustand. Hierzu dienen bekanntermaßen Dioden D und Kondensatoren C, die - wie in Fig. 4 dargestellt - an die Basen der Transistoren T1, T2, T3 und T4, sowie zwischen den Widerständen RB und +5 V bzw. Masse angeschlossen sind. In einem solchen Fall wirkt sich die Gegentakt-Verstärkerstufe 20 oder 22 im Tri-State-Zustand nicht auf die Verstärkung der jeweils anderen Gegentakt-Verstärkerstufe 22 bzw. 20 aus.
Zwischen den Basen der Transistoren T1 bis T4 und den jewei­ ligen Mittenanschlüssen können - nicht dargestellte - Schott­ ky-Dioden angeordnet sein, damit die Transistoren T1 bis T4 schneller schalten. Zusätzlich kann auch eine - ebenfalls nicht dargestellte - dritte und weitere Gegentakt-Verstärker­ stufen mit ihrem Ausgang unmittelbar mit der Antenne 4 ver­ bunden sein. Der dritten Gegentakt-Verstärkerstufe wird dann ebenfalls die Trägerschwingung 7 zugeführt. Durch diese zu­ sätzliche Gegentakt-Verstärkerstufe wird die amplitudenmodu­ lierte Schwingung 19 sowohl im L-Pegel als auch im H-Pegel noch zusätzlich verstärkt. Damit kann die gesamte übertragene Energie weiter erhöht werden.
Durch geeignete Wahl des Dämpfungsfaktors oder Widerstandwer­ tes des Dämpfungsglieds RD kann die abgestrahlte Energie va­ riiert und an den Energiebedarf im Schlüssel 1 angepaßt wer­ den. Bei größerer Dämpfung wird weniger Energie und bei klei­ nerer Dämpfung wird mehr Energie übertragen.
Die Transistoren T1 und T3 können vom Typ BC327 und die Tran­ sistoren T2 und T4 vom komplementären Typ BC337 sein. Für die Erfindung ist es jedoch unwesentlich, mit welchen Transisto­ ren die Gegentakt-Verstärkerstufe realisiert ist. Wesentlich ist, daß zum einen die Trägerschwingung 7 verstärkt und zum anderen eine einfache Möglichkeit geschaffen wird, ein ampli­ tudenmoduliertes Signal 19 zu erzeugen, das in beiden logi­ schen Zuständen Energie überträgt.
Die Funktion des Schalters 21 kann auch durch einen inte­ grierten Schaltkreis des Modulators 8 übernommen werden. Im Modulator 8 kann das digitale Signal 18 beispielsweise in ei­ nem Festwertspeicher abgespeichert sein.
Unter dem Begriff "Schlüssel 1" ist eine tragbare elektroni­ sche Einheit zu verstehen, die Signale empfangen sowie Code­ signale erzeugen und aussenden kann. Solche Schlüssel 1 kön­ nen auch als Transponder bezeichnet werden. Die elektronische Einheit kann auf einem herkömmlichen mechanischen Schlüssel 1, einer scheckkartengroßen Karte oder funktionell gleichwer­ tigen Vorrichtungen angeordnet sein. Bei einer elektronischen Wegfahrsperre ist die elektronische Einheit üblicherweise im Griff des Zündschlüssels angeordnet.
Unter dem Begriff "Schloß 2" ist eine elektronische Einheit im Kraftfahrzeug zu verstehen, die Signale aussenden und emp­ fangen kann. Die empfangen Signale werden mit erwarteten Sollsignalen verglichen. Bei Übereinstimmung wird ein Freiga­ besignal erzeugt, wodurch ein Aggregat ver- oder entriegelt wird. Bei einer Wegfahrsperre ist das Aggregat ein Motorsteu­ ergerät, Zündsteuergerät, Kraftstoffpumpe oder funktionelle gleichwertige Geräte, die ein Benutzen des Kraftfahrzeugs nur bei Berechtigung zulassen. Die elektronische Einheit "Schloß 2" ist dabei üblicherweise am oder in der Nähe des Zünd­ schlosses angeordnet.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer amplitudenmodulier­ ten Schwingung, insbesondere für ein Diebstahlschutzsystem eines Kraftfahrzeugs, mit
  • 1. einer hochfrequenten Erregereinrichtung (6), die eine Trä­ gerschwingung (7) bei einer konstanten Erregerfrequenz er­ zeugt,
  • 2. einem Modulator (8), der aus der Trägerschwingung (7) mit Hilfe eines digitalen Signals (18) eine amplitudenmodulier­ te Schwingung (19) erzeugt, indem ein Dämpfungsglied (RD) abhängig vom logischen Zustand (L, H) des digitalen Signals zugeschaltet wird, wobei die Amplitude der Trägerschwingung (7) im ersten logischen Zustand (H) nicht gedämpft und im zweiten logischen Zustand (L) durch das Dämpfungsglied (RD) gedämpft wird, wodurch Energie in beiden logischen Zustän­ den der amplitudenmodulierten Schwingung (19) übertragen wird, und mit
  • 3. einer Sendeantenne (4), die Teil eines Schwingkreises (3) ist, dem die amplitudenmodulierte Schwingung (19) zugeführt wird, um diese auszusenden.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Modulator (8) eine Gegentakt-Verstärkerstufe (20) aufweist, der die Trägerschwingung (7) zugeführt wird, und einen Schalter (21) parallel zu dem Dämpfungsglied (RD) im Takte des digitalen Signals (18) ein- und ausschaltet, so daß die Trägerschwingung (7) in dem ersten logischen Zustand (H) ungedämpft und in dem zweiten logischen Zustand (L) ge­ dämpft der Sendeantenne (4) als amplitudenmodulierte Schwin­ gung (19) zugeführt wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Modulator (8) eine zweite Gegentakt-Verstärker­ stufe (22) aufweist, wobei die Trägerschwingung (7) in dem zweiten logischen Zustand (L) über die erste Gegentakt- Verstärkerstufe (20) und das Dämpfungsglied (RD) und in dem ersten logischen Zustand (H) über die zweite Gegentakt- Verstärkerstufe (22) unmittelbar der Sendeantenne (4) zuge­ führt wird.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied (RD) ein ohmscher Widerstand ist, dessen Widerstandswert die Dämpfung im zweiten logischen Zustand (L) festlegt.
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