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Diese
Erfindung bezieht sich auf einen Transponder und einem Verfahren
zur Übertragung eines
Antwortsignals von einem Transponder. Insbesondere bezieht sie sich
auf einen Transponder, der einen Aktivierungskreis oder Ansteuerungskreis
(„activation
circuit") enthält, welcher
auf ein Aktivierungssignal oder Ansteuerungssignal anspricht und
einen Leistungsausgang sowie einen Kodierungskreis oder Verschlüsselungskreis
aufweist, verbunden mit dem Leistungsausgang des Aktivierungskreises
zur Erzeugung eines kodemodulierten Antwortsignals bei Empfang des
Aktivierungssignals.
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In
einem Transpondersystem wird ein passiver Transponder durch ein
Kontinuierliches-Wellen(CW)-Radiofrequenz(RF)-Signal von einer Abfrageeinheit
angesteuert. Die Abfrageeinheit überträgt das CWRF-Signal auf einer
bestimmten Frequenz und ein Transponder antwortet mittels der Übertragung
eines modulierten Kodes auf derselben oder einer anderen Frequenz.
Die Abfrageeinheit empfängt das
Signal and liest den Kode durch Demodulierung des empfangenen Signals.
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Die
Kosten des Transponders können manchmal
von der Komplexität
der Vernetzung abgeleitet werden. Die Distanz, über die der Transponder mit
der Abfrageeinheit kommunizieren kann, kann beim Design des Transpondersystems
wichtig sein. Es könnte
daher vorteilhaft sein, einen Transponder anzugeben, der ein einfaches
Design aufweist, ohne dabei die effektive Reichweite, über die
der Transponder operieren kann, einzuschränken.
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In
US 4,040,053 ist ein Transpondersystem mit
sichergestellter Synchronisation eines Eisenbahnsignalsystems offenbart.
Das Transpondersystem umfasst eine Transpositions- und Modulationsvorrichtung,
die einen Resonanzkreis beinhaltet, dessen Frequenz durch ein Frequenzband
abgetastet wird („swept
trough"). In der
EP 0301127 ist ein Transponder
offenbart, der einen Kreis als einen Aktivierungskreis und einen
als Antwortkreis nutzt. Der Transponder der
EP 0301127 kommuniziert demnach nur
im Halbduplexmodus und ist nicht in der Lage zur Vollduplexkommunikation.
Dieser Transponder verwendet eine Trägerwelle, um ein moduliertes
Signal an eine Abfrageeinheit zurückzusenden, auf derselben Frequenz
wie die Trägerwelle
des Abfragesignals.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Transponder wie in Anspruch 1 definiert vorgeschlagen.
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Der
Aktivierungskreis kann dabei auf ein Aktivierungssignal auf einer
ersten Frequenz ansprechen und der Antwortkreis kann zur Übertragung
eines kodemodulierten Antwortsignals einer zweiten, verschiedenen
Frequenz konfiguriert sein. Die zweite Frequenz kann höher als
die erste Frequenz sein.
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Der
Antwortkreis kann ein reihengeschalteter Induktivitäts/Kapazitäts-Kreis
sein.
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Stattdessen
kann der Antwortkreis auch ein parallelgeschalteter Induktivitäts/Kapazitäts-Kreis sein.
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Der
Kodierungskreis kann so konfiguriert sein, dass er ein Antwortsignal
erzeugt, welches digital angesteuert wird.
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Der
Kodierungskreis kann so konfiguriert sein, dass er ein kodemoduliertes
Antwortsignal erzeugt, welches ein Vielzahl von Pulsen umfasst,
jedes Mal, wenn der Kodierungskreis angesteuert wird, um den Antwortkreis
zur Resonanz zu bringen.
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Der
Antwortkreis kann so konfiguriert sein, dass er ein Antwortsignal
von kürzerer
Dauer als das Aktivierungssignal erzeugt, wobei das Antwortsignal eine
höhere
Ausgangsleistung aufweist.
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Der
Kodierungskreis kann so konfiguriert sein, dass er ein kodiertes
Signal in einer Vielzahl von diskreten Impulsen in Antwort auf ein
einzelnes Aktivierungssignal erzeugt.
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Die
Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren zur Übertragung eines Antwortsignals
von einem Transponder in Antwort auf ein Aktivierungssignal, erhalten
von einer Abfrageeinrichtung, wobei das Verfahren das Ansteuern
eines Kodierungskreises zur Erzeugung eine kodemodulierten Signals
umfasst sowie das zum Schwingen bringen eines Antwortkreises mit
dem kodemodulierten Signal auf seiner Eigenfrequenz zur Übertragung
des kodierten Signals an die Abfrageeinrichtung.
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Das
Aktivierungssignal kann bei einer ersten Frequenz liegen und das übertragene
Antwortsignal kann bei einer zweiten, verschiedenen Frequenz liegen.
Die zweite Frequenz kann höher
als die erste Frequenz sein.
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Das
modulierte Signal kann in Impulsen erzeugt werden.
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Der
Kodierungskreis kann digital angesteuert werden, zur Erzeugung des
kodemodulierten Signals, und das kodemodulierte Signal kann eine
Vielzahl von Pulsen umfassen, entsprechend jeder Ansteuerung des
Kodierungskreises.
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Die
Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft beschrieben werden,
mit Bezug auf die beigefügten
diagrammatischen Zeichnungen.
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In
den Zeichnungen
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zeigen 1 bis 4 Schaltkreisdiagramme
verschiedener Ausgestaltungen des Transponders gemäß der Erfindung;
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zeigt 5 ein
Schaltkreisdiagramm eines Transponders;
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zeigen 6 bis 10 Zeitdiagramme
von ausgewählten
Signalen des Schaltkreises der 1;
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zeigt 11 ein
Layout einer Aktivierungsspule und einer Antwortspule der Schaltkreise
gezeigt in den 1 bis 4; und
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zeigt 12 ein
Schaltkreisdiagramm einer typischen Abfrageeinheit.
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In
den Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 10 im allgemeinen
einen Transponder gemäß der Erfindung.
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Der
Transponder, der in 1 gezeigt ist, umfasst einen
Aktivierungskreis oder Ansteuerkreis 12, einen Kodierungskreis 14 und
eine Antwortkreis 16. Der Aktivierungskreis 12 umfasst
eine Aktivierungsspule oder Ansteuerspule 18 (eine Induktivität), einen
abgestimmten Kondensator 20, eine Diode 22 und
einen Leistungskondensator 24. Die Aktivierungsspule 18 ist
mit dem Kondensator 20 parallel geschaltet verbunden, wobei
der Kondensator 20 so abgestimmt ist, dass er auf ein von
einer Abfrageeinheit 100 (gezeigt in 12) übertragenes
Aktivierungssignal anspricht („be
responsive").
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Die
Anode der Diode 22 ist mit der einen Seite der parallel
gekoppelten Aktivierungsspule 18 und dem Kondensator 20 verbunden
und die Kathode der Diode 22 ist mit einer Elektrode des
Leistungskondensators 24 verbunden, dessen andere Elektrode mit
der anderen Seite der parallelgeschalteten Aktivierungsspule 18 und
Kondensator 20 verbunden ist.
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Die
Kombination der Spule 18 und des Kondensators 20 spricht
auf ein Aktivierungssignal von 125 KHz an. Während des Betriebes umfasst
das Aktivierungssignal ein Signal bei 125 KHz in der Kombination
der Spule 18 und des Kondensators 20, welches
durch die Diode 22 halbwellengleichgerichtet („half wave
rectified") wird,
um den Leistungskondensator 24 aufzuladen. Der Leistungsausgang
des Leistungskondensators 24 wird verwendet, um den Kodierungskreis 14 und
den Antwortkreis 16 mit Energie zu versorgen.
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Der
Antwortkreis 16 ist ein Resonanzkreis, der eine Antwortspule 32 beinhaltet,
die in Parallelschaltung mit einem abgestimmten Kondensator 34 verbunden
ist. Der parallel gekoppelte Antwortkreis 16 ist zwischen
dem Leistungsausgang des Kodierungskreises 14 und einem
Modulationsausgang des Kodierungskreises 14 gekoppelt.
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Wenn
die Spannung am Leistungskondensator 24 die Aktivierungsversorgungsspannung
des Kodierungskreises 14 erreicht, beginnt die Kodierungseinheit 26 im
Kodierungskreis 14 durch Ansteuerung zweier Feldeffekttransistoren
mit isoliertem Gate (IGFET) 28 und 30, die in
dem Kodierungskreis 14 integriert sind, einen eindeutigen
Kode oder Schlüssel
auf dem Antwortkreis 16 zu modulieren. In diesem Ausführungsbeispiel
verschlüsselt
die Kodierungseinheit 26 den eindeutigen Kode durch Verwendung
einer Zweiphasen-Puls-Code-Modulationstechnik (PCM), wie z.B. einem „Glitch
mode", „Manchester
Code" oder ähnlichem.
In diesem Beispiel wird ein „Glitch
mode" verwendet.
Durch Anschalten des Transistors 28 für eine Dauer von ungefähr 10 Prozent
der Periode der natürlichen
Frequenz des Antwortkreises 16 und Ausschalten, beginnt
der Antwortkreis 16 mit seiner Resonanzfrequenz zu schwingen.
Der vollständige
Kode wird dadurch generiert, dass der Transistor 28 wiederholt
an- und ausgeschaltet wird. Die Schwingfrequenz kann dabei jede
Frequenz in der Größe von 2
bis 10 MHz sein. Das Schwingen dauert an bis es durch Anschalten des
Transistors 30 ausgeschaltet wird. Die Schwingfrequenz
liegt höher
als die 125 KHz Frequenz des Aktivierungssignals, wodurch eine Interferenz
zwischen den beiden Signalen verringert wird.
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Abhängig von
der Dauer des Schwingens des Antwortkreises 16 kann der
Transistor 30 für
den Fall weggelassen werden, dass das Schwingen ausreichend abgeklungen
sein wird, wenn der Transistor 30, so vorhanden, angeschaltet
werden würde.
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6 zeigt
einige der Signale des Schaltkreises, wie er in 1 gezeigt
wird.
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Das
Signal 200 ist der Binärkode,
der kodiert werden soll, mit dem Wert „00110". Wie man sieht, wird, wenn eine „0" 202 kodiert
werden soll, ein digitales Schalten des Transistors 28 im
ersten Viertel einer Pulsperiode 204 vorgenommen. Wenn
eine „1" 206 kodiert
werden soll, wird ein digitales Schalten des Transistors 28 im
dritten Viertel der Pulsperiode 204 durchgeführt.
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Das
Signal 210 deutet das Signal am Gate des Transistors 28 an.
Die Kodierungseinheit 26 erzeugt einen kurzen Puls an der
ansteigenden Flanke 212 des Schaltens. Der im Signal 210 gezeigte
Puls veranlasst den Antwortkreis 16 zu schwingen, wie es an
dem Signal 220 gesehen werden kann. Die Periode 222 des
Schwingsignals entspricht der Eigenfrequenz der LC-Kombination aus
der Spule 32 und dem Kondensator 34.
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Wie
am Signal 220 gesehen werden kann, schaltet die abfallende
Flanke 224 des Schaltens den Transistor 30 an
(zu sehen im Signal 230) und beendet das Schwingen.
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Das
Schalten der Kodierungseinheit 26 ist auch in 7 gezeigt
und mit dem Bezugszeichen 242 versehen, wobei es zusammen
mit dem Schwingsignal 244 im Antwortkreis 16 in
einem Zeitdiagramm 240 gezeigt wird. Das Schalten 242 veranlasst
den Antwortkreis 16 zu schwingen, wobei das Schwingsignal 244 jedoch
mit der Zeit abfällt.
Die Anfangsamplitude des Signals 244 wird mit ungefähr 130 mA
gezeigt.
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Eine
Alternative zur Erzeugung des kodemodulierten Antwortsignals ist
in 8 in einem gemeinsamen Zeitdiagramm 250 gezeigt.
Jeder der drei Pulse 251 einer Schaltsequenz 252 verstärkt das Schwingen
im Antwortkreis 16. 9 und 10 zeigen
den Effekt der Serie von Pulsen 251, die eine kürzere Periode
als der Antwortkreis 16 aufweisen (9) oder
eine längere
Periode als der Antwortkreis 16 aufweisen (10).
Es wurde festgestellt, dass eine Toleranz von 10 % in der Genauigkeit
der Periode des Schaltsignals die Amplitude nur um etwa 10 % der
Schwingsignals 254 mit einem Q-Wert von ungefähr 40 verringert,
wobei Q die Frequenz über der
Bandbreite darstellt.
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Ein
alternativer Transponder ist in 2 gezeigt,
welcher einen Kodierungskreis 40 aufweist, der mit einem
Antwortkreis 42 verbunden ist, welcher eine Antwortspule 48 reihengeschaltet
mit einem angepassten Antwortkondensator 50 umfasst. Der
Kodierungskreis 40 weist eine Kodierungseinheit 44 auf,
die dazu geeignet ist, einen Modulationsschalter 46 zwischen
der Versorgungsspannung und Masse zu schalten. Der Schalter 46 wird
gewöhnlich
zur Versorgungsspannung geschaltet, wodurch der Kondensator 50 auf
die Versorgungsspannung aufgeladen wird. Schalten des Modulationsschalters 46 auf
Masse verursacht das Schwingen des Antwortkreises 42. Wenn
der interne Widerstand zwischen dem Erdungskontakt 46.1 und
dem Modulationskontakt 46.2 kleiner als der interne Widerstand
zwischen dem Versorgungskontakt 46.3 und dem Modulationskontakt 46.2 ist,
wird dies zur Folge haben, dass das Schwingen des Antwortkreises 42 länger anhält und zudem eine
höhere
Amplitude aufweist, wenn auf Masse anstatt auf Versorgungsspannung
geschaltet wird. Der Effekt des stärkeren und längeren Schwingens
ist, dass die Übertragung
des Kodes, wenn 46.3 schaltet, nur eine geringe Interferenz
während
des Dekodierens zur Folge hat.
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In 3 ist
der Kodierkreis 14 derselbe wie der Kodierkreis der 1,
jedoch unterscheidet sich der Antwortkreis 52 von dem Antwortkreis 16 der 1 darin,
dass eine Antwortspule 54 und ein abgestimmter Kondensator 56 zwischen
dem Modulationsausgang des Kodierkreises 14 und der Masse
parallel geschaltet sind. In diesem Kreis wird der Transistor 28 normal
angeschaltet und der Transistor 30 wird während des
Aufladens des Kondensators 24 ausgeschaltet. Durch Ausschalten
des Transistors 28 und Anschalten des Transistors 30 für ungefähr 10 % der
Periode des Antwortkreises 52 beginnen die Spule 54 und
der abgestimmte Kondensator 56 zu schwingen, bis das Schwingen
durch den Transistor 28 ausgeschaltet wird.
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In 4 ist
die Kodierungseinheit 14 dieselbe wie die Kodierungseinheit
der 1 und 3, aber der Antwortkreis 60 umfasst
zwei externe Transistoren 62 und 64 sowie andere
assoziierte Schaltelemente, wie den Kondensator 63 und
den Widerstand 65. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Kode
durch den Kodierungskreis 14 erzeugt, der eine „Glitch
mode" Modulationstechnik
implementiert. Wenn der Modulationsausgang des Kodierungskreises 14 auf
Masse geschaltet wird, wird der Transistor 62 vorübergehend
angeschaltet, wodurch ein Kondensator 66 aufgeladen wird
und der abgestimmter Kondensator 66, der mit der Antwortspule 68 parallelgeschaltet
ist, zum Schwingen gebracht wird. Das Schwingen des abgestimmten
Kondensators 66 und der Antwortspule 68 dauert
an, bis es durch den Transistor 64, der zwischenzeitlich
durch den Modulationsausgang des Kodierungskreises 14 auf
Versorgungsspannung geschaltet wird, ausgeschaltet wird. Wenn das
Schwingen der Induktivität 68 und des
Kondensators 66 nach 25 % der Kodeperiode ausreichend abgeklungen
ist, können
der Transistor 64 ebenso wie der Kondensator 63 und
der Widerstand 65 weggelassen werden.
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Das
physikalische Layout eines Transponders gemäß der Erfindung wird in 11 gezeigt, wobei
die Position eines Teils der elektronischen Schaltung 70 des
Transponders angezeigt wird, verbunden mit einer Aktivierungsspule 72 und
einer Antwortspule 74.
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5 zeigt
einen Transponder, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
Der Transponder der 5 umfasst einen Aktivierungskreis 12,
der derselbe ist wie der Aktivierungskreis der 1 bis 4 ist.
Der Kodierungskreis 14 ist derselbe wie die Kreise in 1, 3 und 4,
jedoch der Antwortkreis 84 ist verschieden. Der Antwortkreis 84 wird
durch den Modulationsausgang des Kodierungskreises 14 angetrieben.
Der Antwortkreis 84 ist ein Oszillator, der einen Transistor 66,
einen Transformator 88, Kondensatoren 90 und 92,
eine Schottkydiode 94 und einen Widerstand 96 umfasst.
Wenn der Modulationsausgang des Kodierungskreises 14 durch
den Transistor 28, der angeschaltet wird, auf Masse geschaltet
wird, beginnt der Oszillator mit einer vorbestimmten Frequenz zu
laufen, die durch die Werte der Bauteile in der Schaltung bestimmt
ist. Das kodierte Signal wird dadurch übertragen, dass der Oszillator
wiederholt geschaltet wird, damit der Kode des Transponders kodiert
wird. Dieselbe Kodierungstechnik wie zuvor beschrieben, z. B. ein „PCM Glitch Mode" kann zur Kodierung
des Signals verwendet werden.
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Eine
Abfrageeinheit 100 gezeigt in 12 umfasst
einen Oszillator 102, der einen Verstärker 104 antreibt,
der mit einer Übertragungsspule 106 über einen
Tiefpassfilter 108 verbunden ist. Ein Aufnehmtransformator 110 ist
in Reihe mit der Übertragungsspule 106 geschaltet,
dessen Ausgang einen abgestimmten Verstärker 112 durch einen
Bandpassfilter 114 ansteuert. Die Frequenz des Bandpassfilters
ist auf die Frequenz abgestimmt, die durch den Antwortkreis 16, 42, 52, 60 oder 84 des
Transponders 10 übertragen
wird. Ein eindeutiger Kode, der im Ausgangssignal durch den Kodierungskreis 14 des Transponders
moduliert wurde, wird durch einen Demodulator 116 demoduliert,
wodurch ein eindeutiger Kode empfangen vom Transponder 10 am
Ausgang des Demodulators 116 erzeugt wird. Der Tiefpassfilter 108 reduziert
das Übertragungsrauschen
in dem Band, in dem der Transponder antwortet.