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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Radiofrequenzidentifikations
(RFID)-Systeme werden benutzt, um einen Verlust an Inventar zu erfassen
und zu verhindern und um Inventarmanagementfunktionen in einer Vielfalt
von Einzelhandelsgeschäften,
Bekleidungs- und Massenartikelgeschäften, Supermärkten, Bibliotheken,
Videoläden
und dgl. zu erfüllen.
Im Allgemeinen benutzen solche Systeme ein intelligentes Etikett,
das an einem Artikel (oder an dessen Verpackung) befestigt oder
demselben (oder derselben) zugeordnet ist, typisch einem Artikel,
der für
potentielle Kunden oder Gebäudebenutzer
ohne weiteres zugänglich
ist. Der Prozess, bei dem intelligente Etiketten an einem Artikel
(oder an dessen Verpackung) befestigt oder demselben (oder dessen
Verpackung) zugeordnet werden, wird häufig als „Etikettieren" des Artikels bezeichnet.
Im Allgemeinen werden solche RFID-Systeme benutzt, um das Vorhandensein
(oder das Nichtvorhandensein) eines besonderen intelligenten Etiketts
und somit eines geschützten
Artikels innerhalb eines überwachten
Sicherheitsbereiches oder einer Erfassungszone, die hier auch als
eine „Befragungszone" bezeichnet wird,
zu erfassen. Die Erfassungszone befindet sich an oder nahe bei einem
Ausgang oder Eingang des Gebäudes
oder einem Teil des Gebäudes,
an der Kassenstation oder nahe bei einer in der Hand gehaltenen,
tragbaren Befragungseinrichtung.
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Ein
Typ von RFID-System, der weit verbreitete Popularität gewonnen
hat, benutzt ein intelligentes Etikett, das einen eingebauten, passiven
Schwingkreis in Form einer kleinen, insgesamt planaren gedruckten
Schaltung enthält,
die bei einer vorbestimmten Erfassungsfrequenz innerhalb eines Erfassungsfrequenzbereiches
in Resonanz schwingt. Ein Sender, der ebenfalls auf die Erfassungsfrequenz
abgestimmt ist, sendet elektromagnetische Energie oder ein Befragungssignal
in die Erfassungszone. Ein Empfänger,
der auf die Erfassungsfrequenz abgestimmt ist, erfasst Amplitudenstörungen des
elektromagnetischen Feldes, die durch das intelligente Etikett hervorgerufen
werden. Wenn ein Artikel, an dem ein intelligentes Etikett befestigt
ist, in die Erfassungszone bewegt oder durch diese hindurchbewegt wird,
wird das intelligente Etikett mit der gesendeten Energie beaufschlagt.
Das heißt,
das intelligente Etikett wird be fragt. Die Erfassung eines solchen
Ausgangssignals durch den Empfänger
zeigt das Vorhandensein des Artikels mit einem intelligenten Etikett
innerhalb der Erfassungszone an, und der Empfänger aktiviert einen Alarm,
um geeignetes Sicherheits- oder anderes Personal aufmerksam zu machen.
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Ein
gut bekanntes RFID-System hat eine Sende- und Erfassungsfrequenz
in dem Radiofrequenzbereich. Die intelligenten Etiketten, die bei
solchen Systemen verwendet werden, werden als RF-Etiketten oder
als intelligente RF-Etiketten bezeichnet. Die RF-Etiketten, die
jedem Artikel zugeordnet sind, können
identisch sein, so dass alle Artikel, die ein intelligentes Etikett
haben, ungeachtet der Größe oder
des Wertes des Artikels ein identisches Signal zu dem Empfänger zurückleiten.
Alternativ können
die RF-Etiketten passive intelligente Schwingkreisetiketten sein,
die eindeutige Identifikationscodes zurücksenden. Die US-Patente Nr. 5,446,447
(Carney et al.), 5,430,441 (Bickley et al.) und 5,347,263 (Carroll
et al.) offenbaren drei Beispiele von solchen intelligenten Etiketten.
Diese Etiketten enthalten typisch eine integrierte Schaltung, um
einen eindeutigen Identifikationscode zu erzeugen. Solche „intelligenten" intelligenten Etiketten
liefern zusätzliche
Information über
den in der Zone der Befragungseinrichtung erfassten Artikel. Diese
intelligenten Etiketten antworten typisch auf Signale und senden
typisch Signale in dem Radiofrequenzbereich und sind auf dem einschlägigen Fachgebiet
als „Radiofrequenzidentifikations
(RFID)-Etiketten" oder „intelligente
Etiketten" bekannt.
RFID-Etiketten werden in RFID-Systemen benutzt. Intelligente Etiketten können auch
in Nicht-RF-Frequenzbändern
in Resonanz schwingen und können
allgemein als „EAS-Markierelemente" bezeichnet werden.
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Existierende
RFID-Systeme des oben beschriebenen Typs und andere Typen haben
sich als wirksam erwiesen, den Diebstahl oder die unerlaubte Mitnahme
von Artikeln zu verhindern.
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1 zeigt
eine herkömmliche
Sender-Empfänger-Baugruppe 10 eines
RFID-Systems. Die Baugruppe enthält
ein paar beabstandete Sockel-Sender-Empfänger-Antennen 12 und 12', die zwischen sich
eine Erfassungszone 14 festlegen. In einem herkömmlichen
Schema sind Sender- und Empfängerspulen
in jeder der Antenennen 12 und 12' platziert. In einem anderen herkömmlichen
Schema ist eine Senderspule in der Antenne 12 platziert
und ist eine Empfängerspule
in der Antenne 12' platziert.
Die maximale Größe der Erfassungszone 14 hängt weitgehend
von dem „Lesebereich" der intelligenten
Etiketten ab, die in dem RFID-System verwendet werden. Der „Lesebereich" ist derjenige Bereich,
in welchem ein passives Resonanzsignal genau erfasst und durch die
Signalempfangsvorrichtung unterschieden werden kann.
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Passive
Resonanzsignale sind Signale relativ geringer Leistung und müssen innerhalb
einer relativ rauschbehafteten Umgebung unterschieden werden. Es
gibt viele Quellen potentiellen Rauschens in der Erfassungszone 14,
wie zum Beispiel Signale aus anderen intelligenten Etiketten, Signale,
die durch die Wechselwirkung der Senderfrequenzen mit metallischen
Objekten und benachbarter elektrischer Ausrichtung erzeugt werden.
Darüber
hinaus ist das RFID-System selbst eine bedeutsame Rauschquelle.
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In
dem RFID-System werden bedeutsames Amplituden- und Phasenrauschen
von dem Oszillator erzeugt, der zum Erzeugen der Feldgrundfrequenz
der Senderschleifenantenne benutzt wird. Darüber hinaus bewegen sich beträchtliche
Mengen an Rauschen auf dem Signalpfad zwischen der Sender-Empfänger-Elektronik
und der Schaltungsanordnung zum Verarbeiten der analogen Etikettensignale. Dieser
Signalpfad ist in herkömmlichen
RFID-Systemen festverdrahted, vgl. zum Beispiel US-Patent Nr. 4,623,877
(Buckens). Erdungsschleifen und Gleichtaktsignale rufen längs ihres
Signalpfades Rauschen hervor. Umschaltungsrauschen aus einer digitalen Signalverarbeitungs
(DSP)-Schaltungsanordnung zum Verarbeiten der analogen Etikettensignale
findet sich häufig
auf dem Signalpfad. Gleichstromleitungen, die die Sender-Empfänger-Elektronik
und die Schaltungsanordnung zum Verarbeiten der analogen Etikettensignale
mit Strom versorgen, erzeugen ebenfalls Rauschen auf dem Signalpfad.
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Dieses
Rauschen verringert den Rauschabstand des Etikettantwortsignals
und begrenzt dadurch den Lesebereich. Das Rauschproblem wird noch
verschlimmert, wenn die Antennen 12 und 12' weiter auseinander
bewegt werden, da das Etikettsignal mit der Entfernung von der Empfängerantenne schwächer wird,
wohingegen potentielle Umgebungsrauschquellen mit der Entfernung
von der Empfängerantenne
stärker
werden. Darüber
hinaus schreiben Regierungsbehörden
wie die Federal Communications Commission (FCC) die Emissionswerte
in dem Frequenzbereich vor, der durch RFID-Systeme benutzt wird, und erlauben nicht, dass
Emissionswerte maximale vorbestimmte Werte übersteigen. Das begrenzt die
Stärke
der in der Erfassungszone erlaubten Signale weiter, wodurch der Lesebereich
eingeschränkt
wird. Viele herkömmliche RFID-Systeme
arbeiten gegenwärtig
an oder nahe bei den FCC-Grenzwerten.
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In
herkömmlichen
RFID-Systemen treten Etikettleseprobleme selbst dann auf, wenn der
Lesebereich ein akzeptabler Wert ist. Zum Beispiel kann das Signal
aus einem besonderen intelligenten Etikett aufgrund von unerwartetem
Rauschen in der Erfassungszone oder aufgrund eines niedrigen Rauschabstands
in Folge eines schwachen oder beträchtlich gedämpften Etikettantwortsignals
verloren gehen. Daher gelingt es herkömmlichen RFID-Systemen manchmal
nicht, kleine Signale oder sogar Signale normaler Stärke „zu hören", wenn die Umgebung
ungewöhnlich
rauschbehaftet ist.
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Typisch
liegt der Abstand zwischen den Sender-Empfänger-Antennen 12 und 12' in dem Bereich von
drei bis sechs Fuß in
Abhängigkeit
von dem besonderen RFID-System und dem besonderen Anwendungsfall,
in welchem das System verwendet wird. Es ist jedoch zum Vermeiden
einer Blockierung des Eingangs/Ausgangs eines Ladens erwünscht, dass
die Antennen um wenigstens die Breite des Eingangs/Ausgangs von
einander beabstandet sind, die sechs Fuß oder mehr bei einigen Typen
von Läden (zum
Beispiel Hauszentren) betragen kann. Es ist auch manchmal erwünscht, die
Antennenvorrichtung zu verbergen. Es ist jedoch nicht machbar, die
Antennenvorrichtung zu verbergen, wenn die Antennen sehr eng bei
einander sein müssen,
damit eine akzeptable Leistung erzielt wird. Daher sind die Antennenplatzierungsoptionen
in herkömmlichen RFID-Systemen
eingeschränkt.
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Ein
Schema zum Vergrößern des
Lesebereiches eines RFID-Systems ist in der mitanhängigen US-Anmeldung
Nr. 08/783,423, eingereicht am 14. Januar 1998, betitelt „Multiple
Loop Antenna", beschrieben.
Dieses Schema befasst sich jedoch mit dem Antennenentwurf und befasst
sich nicht mit dem Problem von Rauschen, das durch das RFID-System selbst
und durch andere externe Rauschquellen erzeugt wird.
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Insgesamt
gibt es einen beträchtlichen,
seit langem bestehenden und gegenwärtig nicht gedeckten Bedarf
an einer Verbesserung der Erfassungsmöglichkeiten und des Lesebereiches
von RFID-System-Elektronik, ohne Regierungsvorschriften hinsichtlich
der Feldstärke
zu verletzen.
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Die
vorliegende Erfindung deckt den Bedarf durch das Bereitstellen von
Verfahren und Systemen, welche Hintergrundrauschen beträchtlich
reduzieren, das durch externe/Umgebungs-Quellen und interne RFID-Systemkomponenten
erzeugt wird, wodurch ein RFID-System bereitgestellt wird, das einen
verbesserten Lesebereich hat und das schwächere Signale hören kann.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein RFID-System, das eine Erfassungszone
hat zum Erfassen des Vorhandenseins eines Artikels in der Erfassungszone,
wobei der Artikel mit einem intelligenten Schwingkreisetikett etikettiert
ist. Das Radiofrequenzidentifikationssystem hat eine Empfängerschaltung,
eine Etikettantwortsignalanalysierschaltung und eine Lichtleitfaserschnittstelle,
die dazwischen geschaltet ist. Die Empfängerschaltung gibt ein demoduliertes
analoges Etikettantwortsignal bei Erfassung des intelligenten Etiketts
in der Erfassungszone ab, wobei das demodulierte analoge Etikettantwortsignal
eine Reihe von Impulsen enthält, die
der Identifikationsinformation des intelligenten Etiketts entspricht.
Die Etikettantwortsignalanalysierschaltung hat einen Eingang, einen
Wandler, der die Etikettantwort in digitale Daten umwandelt, und
eine Digitalsignalverarbeitungsschaltung, welche das analoge Etikettantwortsignal
verarbeitet und daraus intelligente Etikettdaten abgibt. Die Lichtleitfaserschnittstelle
ist an einem Ende mit dem Ausgang der Empfängerschaltung verbunden und
ist an dem anderen Ende mit dem Eingang der Etikettantwortsignalanalysierschaltung
verbunden, um das analoge Etikettantwortsignal aus der Empfängerschaltung
zu der Etikettantwortsignalanalysierschaltung zu übertragen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorstehende Zusammenfassung sowie die folgende ausführliche
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
werden besser verständlich,
wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden.
Für die Zwecke
der Veranschaulichung der Erfindung sind in den Zeichnungen Ausführungsformen
gezeigt, die gegenwärtig
bevorzugt werden. Es sollte jedoch klar sein, dass sich die Erfindung
nicht auf die gezeigten präzisen
Anordnungen und Instrumentierungen beschränkt. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht von Sockelantennen eines herkömmlichen
RFID-Systems;
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2 ein
Blockschaltbild von ausgewählten Komponenten
eines RFID-Systems
nach der vorliegenden Erfindung;
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die 3A-1, 3A-2, 3A-3, 3A-4 und 3B,
zusammengenommen, eine Kombination eines detaillierten Komponentenebenen-Schaltbildes/Blockschaltbildes,
das die einzelnen Komponenten des RFID-Systems nach 2 sowie
zusätzliche
Komponenten eines RFID-Systems
nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ein
Blockschaltbild eines intelligenten Etiketts, das zur Verwendung
bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
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die 5A – 5E Etikettantwortsignale auf
verschiedenen Stufen in dem System nach den 3A-1, 3A-2, 3A-3, 3A-4 und 3B;
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6 ein
vereinfachtes Schaltbild eines Teils der 3A-1, 3A-2, 3A-3, 3A-4 und 3B;
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7 ein
Diagramm der Ausgangssignale eines Flipflops in 6;
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8 ein
Blockschaltbild einer herkömmlichen
Schaltung zum Erzeugen von geteilten Phasensignalen zum Ansteuern
einer RFID-Senderantenne; und
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9 ein
Blockschaltbild einer Schaltung zum Erzeugen von geteilten Phasensignalen
zum Ansteuern einer RFID-Senderantenne gemäß der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜRHLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
wird hier eine gewisse Terminologie lediglich der Einfachheit halber
benutzt und nicht, um die Erfindung dadurch zu beschränken. In
den Zeichnungen werden die gleichen Bezugszahlen benutzt, um gleiche
Elemente in sämtlichen
Figuren zu bezeichnen.
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Die
Systemarchitektur des RFID-Systems bei der vorliegenden Erfindung
beinhaltet eine Vielzahl von Elementen zum Reduzieren von Rauschen innerhalb
des RFID-Systems. Das resultierende RFID-System hat bessere Erfassungsfähigkeiten oder, äquivalent,
einen größeren Lesebereich
für RFID-Etiketten.
Die Schlüsselelemente
lassen sich hier wie folgt zusammen fassen:
- 1.
Es werden Lichtleitfaseroptiken benutzt zum Übertragen von analogen Etikettantwortsignalen von
dem Ausgang der Empfängerschaltung
zu dem Eingang der Etikettantwortsignalanalysierschaltungsanordnung
(welche einen digitalen Signalprozessor (DSP) enthält). Die
Systemarchitektur ist daher, allgemein gesprochen, körperlich
in analoge und digitale Abschnitte aufgeteilt. Die Lichtleitfaseroptik
erzeugt eine elektrische Trennung zwischen den beiden Abschnitten,
unterbricht die Erdungsschleifen, hindert internes Schaltgeräusch aus
dem DSP daran, in den empfindlichen De tektor am vorderen Ende einzudringen
(d. h. in die Empfängerschaltungsanordnung),
und verhindert, dass Gleichtaktsignale das gewünschte RFID-Etikettsignal stören.
- 2. Es ist eine Filterung vorgesehen auf den Gleichstromleitungen,
welche verhindert, dass Störsignale
weder intern noch extern die gewünschten
Etikettsignale stören.
Das Filtern zielt ab auf Hoch- und Niederfrequenzstörung, die
im Gleichtakt oder differenziell auftreten kann.
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Jedes
dieser Elemente reduziert Rauschen beträchtlich, und in einer besonderen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann das erste Element auch in Kombination
mit dem zweiten Element in dem RFID-System benutzt werden. Eine
ausführliche
Erläuterung
von jedem der Elemente findet sich im Folgenden.
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2 ist
ein Blockschaltbild von ausgewählten
Teilen eines RFID-Systems 16,
das gezeigt ist, um die drei oben angegebenen Elemente der vorliegenden
Erfindung selektiv hervorzuheben. Die 3A-1, 3A-2, 3A-3, 3A-4 und 3B bilden,
zusammengenommen, eine Kombination eines expandierten, auf Komponentenebene angegebenen
Schaltbildes/Blockschaltbildes von einer bevorzugten Ausführungsform
des RFID-Systems 16, das die ausgewählten Teile hat, die in 2 gezeigt
sind, sowie zusätzliche
Teile. Die Schaltungskomponenten nach den 3A-1, 3A-2, 3A-3, 3A-4 und 3B werden
in Verbindung mit den Elementen nach 2 beschrieben.
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Gemäß den 2, 3A-1, 3A-2, 3A-3, 3A-4, 3B und 4,
auf die nun Bezug genommen wird, enthält das System 16 einen Sender-Empfänger-Modul 18 (3A-1, 3A-2, 3A-3 und 3A-4),
einen Etikettantwortsignalanalysiermodul 20 (3B)
und eine optische Schnittstelle 22 in Form einer Lichtleitfaserschnittstelle
(3A-1, 3A-2, 3A-3, 3A-4 und 3B).
Der Sender-Empfänger-Modul 18 enthält eine
herkömmliche
Empfängerschaltung 24,
die einen AM-Empfänger
hat. Die Empfängerschaltung 24 demoduliert
die Daten aus dem intelligenten Etikett 28 (4).
Amplitudenstörungen
auf dem RF-Träger werden
erfasst, verstärkt
und begrenzt, indem Energie direkt aus der Empfängerantenne eingekoppelt wird.
Die Erfassung, Verstärkung
und Begrenzung werden so in der Empfängerschaltung 24 ausgeführt. Die
Empfängerschaltung 24 gibt
ein demoduliertes Etikettantwortsignal ab, wenn ein Artikel 26 in
einer Erfassungszone 30 erfasst wird, der mit einem intelligenten
Etikett 28 etikettiert ist. Der Sender-Empfänger-Modul 18 ist
mit einer herkömmlichen
Sender/Empfänger-Antennenbaugruppe 32 verbunden, die
eine Senderschleifenantenne 34 aufweist zum Erzeugen einer
Erfassungszone und eine Empfängerschleifenantenne 36 zum
Aufnehmen von Antwortsignalen, die von einem oder mehreren intelligenten
Etiketten 28 gesendet werden. Die Antennen 34 und 36 können getrennt
sein oder können
gemeinsam untergebracht sein (d. h., beide können auf derselben körperlichen
Antenne angeordnet sein). Der Sender-Empfänger-Modul 18 ist
in unmittelbarer Nähe
zu dem (den) angesteuerten Antennenelementen) platziert. Die Antennenbaugruppe 32 kann
so angeordnet sein, wie es in 1 gezeigt
ist, oder auf irgendeine andere herkömmliche Art und Weise. Die Senderschleifenantenne 36 hat
eine vorbestimmte Grundfeldfrequenz. In dem hier beschriebenen Beispiel
beträgt
die Frequenz 13,56 MHz. Der Bereich der Erfindung beinhaltet jedoch
jede Frequenz, die zum Erfassen von intelligenten Schwingkreisetiketten
geeignet ist.
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Der
Etikettantwortsignalanalysiermodul 20 kann in unmittelbarer
Nähe zu
der Antennenbaugruppe 32 und dem Sender-Empfänger-Modul 18 angeordnet
sein oder kann entfernt von der Antennenbaugruppe 32 und
dem Sender-Empfänger-Modul 18 angeordnet
sein. Der Etikettantwortsignalanalysiermodul 20 hat einen
optischen Eingang, einen A/D-Wandler 65 und eine herkömmliche
Digitalsignalverarbeitungsschaltung 38 (im Folgenden als
Digitalsignalprozessor 38 oder DSP 38 bezeichnet), welche
das digitalisierte und quantisierte analoge Etikettantwortsignal
verarbeitet und daraus intelligente Etikettdaten macht und abgibt.
Der DSP 38 ist bevorzugt in einem abgeschirmten Gehäuse untergebracht.
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Ein
wichtiges Element der vorliegenden Erfindung ist die optische Schnittstelle 22,
die anstelle einer herkömmlichen
festverdrahteten Schnittstelle verwendet wird. Die optische Schnittstelle 22 enthält einen
optischen Sender 40, einen optischen Empfänger 42 und
ein Lichtleitkabel oder einen Lichtleiter 44, der an einem
Ende mit dem optischen Sender 40 verbunden ist und an dem
anderen Ende mit dem optischen Empfänger 42 verbunden
ist. Der optische Sender 40 und der optische Empfänger 42 können körperlich
auf entsprechenden Leiterplatten befestigt sein, die dem Sender-Empfänger-Modul 18 und
dem Etikettantwortsignalanalysiermodul 20 zugeordnet sind,
wie es in den 2, 3A-1, 3A-2, 3A-3, 3A-4 und 38 gezeigt ist, oder sie können außerhalb
der Leiterplatten angeordnet sein, die dem Sender-Empfänger-Modul 18 und
dem Etikettantwortsignalanalysiermodul 20 (nicht dargestellt)
zugeordnet sind. Der Lichtleiter 44 kann irgendeine geeignete
Länge haben,
um die betreffenden Leiterplatten miteinander zu verbinden, und
kann einen oder mehrere Regenerationsverstärker oder optische Verstärker haben,
die bei Bedarf längs
seines Weges angeschlossen sind, um die Signalstärke aufrecht zu erhalten. Der
Lichtleiter 44 reduziert, wie oben erläutert, Rauschen in dem Etikettantwortsignal beträchtlich,
indem er für
eine elektrische Trennung sorgt und Erdungsschleifen unterbricht,
die den festverdrahteten Verbindungen zugeordnet sind, internes
Schaltgeräusch
aus dem DSP 38 am Eindringen in die Emp fängerschaltung 24 hindert
und Gleichtaktsignale am Stören
des gewünschten
Etikettantwortsignals hindert.
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Experimentelle
Daten zeigen, dass die Verwendung einer Lichtleiterschnittstelle
statt einer herkömmlichen
festverdrahteten Schnittstelle für
eine Rauschspannungsreduktion um eine Größenordnung oder 20 Dezibel
(dB) sorgt. Aufgrund der beträchtlichen
Reduktion von Rauschen kann der Lesebereich um einen bedeutsamen
Prozentsatz vergrößert werden,
verglichen mit bekannten RFID-Systemen, die eine festverdrahtete
Schnittstelle haben, und zwar in der Größenordnung von wenigstens sechs
Zoll bis ein Fuß pro
Abfrageeinrichtung. Beispielsweise würde ein Ladeneingang/-ausgang,
der zwei Abfrageeinrichtungen hat, eine Verbesserung der Breite
des Durchganges von ein bis zwei Fuß haben, wobei jede Abfrageeinrichtung
eine Verbesserung im Lesebereich von zusätzlichen sechs Zoll bis ein
Fuß liefert.
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Das
bevorzugte intelligente Schwingkreisetikett zur Verwendung bei der
vorliegenden Erfindung ist ein herkömmliches RFID-Etikett.
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4 zeigt
allgemeine Einzelheiten eines Musters eines RFID-Etiketts 28,
das zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Das intelligente Etikett 28 enthält eine passive Radiofrequenz
(RF)-Schwingkreisschaltung 50, die erfasst, wann das Etikett 28 in
einer Zone ist, die durch eine Lese- oder Befragungseinrichtung überwacht
wird, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Ein gut bekannter
Typ von Schaltung 50 hat eine Spulenantenne 52 und
einen Kondensator 54, die zusammen einen Schwingkreis mit
einer vorbestimmten (Betriebs-) Resonanzfrequenz (d. h. der ausgewählten Radiofrequenz)
bilden. Der Strom für
das intelligente Etikett 28 wird der Antenne 52 auf
herkömmliche
Art und Weise entnommen. Weiter enthält das intelligente Etikett 28 eine
integrierte Schaltung (IS) 56, die dem intelligenten Etikett 28 „Intelligenz" verleiht. Die IS 56 ist
mit der Schaltung 50 verbunden. Die IS 56 enthält einen
progammierbaren Speicher 58, der weiter unten beschrieben
ist, zum Speichern von Identifikationsbits oder anderen Daten. Die
IS 56 gibt einen Datenstrom ab, der gespeicherte Daten
umfasst, wenn ihr ausreichend Strom zugeführt wird. In einer Ausführungsform
der Erfindung erzeugt der Datenstrom eine Serie von Datenimpulsen
durch Umschalten eines zusätzlichen
Kondensators (nicht dargestellt) an der Spulenantenne 52 für die Dauer
der Datenimpulse. Das ändert
die Resonanzfrequenz der RF-Schaltung 50,
wodurch diese gegenüber
der Betriebsfrequenz verstimmt wird. Statt dass die RF-Schaltung 50 ein
einfaches Antwortsignal mit einer einzelnen Betriebsresonanzfrequenz
zurückleitet,
leitet sie somit ein moduliertes Signal zurück, das ein Paket von vorprogrammierter
Information aus dem Speicher 58 enthält. Das Paket von Information (Datenimpulse)
wird durch die Abfrageinrichtungsempfangsschaltungsanordnung empfangen
und verarbeitet und wird (bei Bedarf) decodiert, um die Identifikation
und/oder andere Information über
den etikettierten Artikel zu liefern. Andere Verfahren zum Verwenden
der Daten in dem IS-Speicher 58 zum Abgeben von Identifikationsdaten
aus dem intelligenten Etikett 28 liegen im Bereich der
Erfindung. Die IS 56 ist vorzugsweise auch eine passive
Vorrichtung und wird auf dieselbe Art und Weise wie die RF-Schaltung 50 mit
Strom versorgt (durch Verwenden von Energie, die an der Antenne 52 empfangen wird,
aus dem Befragungseinrichtungssendersignal). Das intelligente Etikett 28 ist
daher ein so genanntes RFID-Etikett. Andere Typen von RFID-Etiketten können bei
der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Beispiele von anderen
RFID-Etiketten, die eine Schaltungsanordnung haben, welche zur Verwendung
als Teil der Schaltungsanordnung des intelligenten Etiketts 28 geeignet
ist, sind gezeigt in den US-Patenten Nr. 5,446,447 (Carney et al.),
5,430,441 (Bickley et al.) und 5,347,263 (Carroll et al.).
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Die 5A – 5E zeigen
Muster von Etikettantwortsignalen, die aus dem intelligenten Etikett 28 stammen,
in den verschiedenen Stufen der Schaltungselemente nach den 2, 3A-1, 3A-2, 3A-3, 3A-4 und 3B.
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5A zeigt
einen Teil des unverarbeiteten, demodulierten analogen Etikettantwortsignals
an dem Ausgang der Empfängerschaltung 24,
das in den 3A-1, 3A-2, 3A-3, 3A-4 und 5A als
Signal 60 bezeichnet ist. Ein typisches analoges Etikettantwortsignal
kann 154 Bit und einen Scheitelspannungswert in dem Bereich von
etwa 50 Millivolt haben. Das Signal ist „analog", weil es einen kontinuierlich variablen
Spannungswert und Rauschen hat, verglichen mit einem Digitalsignal,
das klar definierte diskrete Werte (zum Beispiel 1, 2, 3,...) hat,
die schließlich
in Gruppen von Bits ausgedrückt und
durch hohe und niedrige Logikpegel dargestellt werden.
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5B zeigt
einen Teil des Etikettantwortsignals, wie es in dem Lichtleiter 44 erscheint
und nachdem es durch den optischen Sender 40 verarbeitet
worden ist. Das Etikettantwortsignal in dieser Stufe ist in den 3A-1, 3A-2, 3A-3, 3A-4 und 3B sowie
in 5B als Signal 62 bezeichnet. Das Signal 62 hat
dieselbe Wellenform wie das Signal 60, aber die Amplitude
repräsentiert Lichtintensität, keine
Spannung.
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5C zeigt
einen Teil des Etikettantwortsignals, wie es in dem Ausgang des
optischen Empfängers 42 erscheint
und bevor es in den Etikettantwortsignalanalysiermodul 20 eingegeben
wird. Das Etikettantwortsignal auf dieser Stufe ist in 3B und
in 5C als Signal 64 bezeichnet. Das Signal 64 hat dieselbe
Wellenform wie das Signal 62, aber die Amplitude repräsentiert
nun eine analoge elektrische Spannung. Das Signal 64 ist
also mit dem Signal 60 identisch, wenn eine ideal arbeitende
Wandlerschaltungsanordnung und ein verlustloser Leiter 44 angenommen
werden. Die analoge elektrische Spannung wird in einem A/D-Wandler 65 quantisiert,
der in 3B gezeigt ist, und die analoge
Spannung wird in digitale Daten zur Verarbeitung durch den DSP 38 umwandelt.
In der in 3B gezeigten Schaltung ist das
Signal an dem Ausgang des A/D-Wandlers 65 eine Sequenz
von 10-Bit-Worten, dargestellt in 5D als
diskrete, quantisierte Werte des Signals 64, die in den
DSP 38 eingegeben werden.
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5E zeigt
einen Teil der von dem DSP 38 abgegebenen Daten des intelligenten
Etiketts. Diese Daten bilden die Identifikationsinformation des
intelligenten Etiketts 28 (zum Beispiel RFID-Etikett-Daten in
dem Fall, in welchem das intelligente Etikett 28 ein RFID-Etikett
ist). Das Etikettausgangssignal ist in 3B und
in 5E als Signal 66 bezeichnet.
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Die
quantisierten und digitalisierten Werte und die digitale Wellenform,
die in den 5D und 5E gezeigt
sind, repräsentieren
nicht die Signale, die in den 5A – 5C gezeigt
sind, zu denselben Zeitpunkten, und ebenso wenig sind die Zeitspannen
in den 5D und 5E mit
einander oder mit den Zeitspannen der 5A – 5C korreliert.
Die 5D und 5E sind
angegeben, um die digitalen Eigenschaften eines Etikettantwortsignals
zu veranschaulichen, im Vergleich zu der analogen Natur des Signals
in den 5A – 5C.
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Einige
herkömmliche
RFID-Systeme benutzen Lichtleiteroptiken zum Übertragen von Signalen zwischen
Systemkomponenten. Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 5,288,980
(Pate) et al.), dass die Nachrichtenverbindung zwischen dem elektronischen
Datenprozessor und einer Durchlass/Nichtdurchlass-Logikschaltung
ein Lichtleiterkabel sein kann. Das US-Patent Nr. 5,440,300 (Spillman,
Jr.) offenbart ein eingebettetes Mehrfachstrukturnetzwerk, wobei
mehrere intelligente Strukturen in Platten eingebettet sind und
durch ein Netzwerk aus konformen Stromversorgungs- und Datenempfangsabfrageschnittstelleneinheiten
mit Strom versorgt und befragt werden, welche durch Knoten angeschlossen sind
und als Knoten dienen längs
eines gemeinsamen Strom-/Daten-Buskabels. Das Kabel kann ein Lichtleitkabel
sein. Das US-Patent
Nr. 5,353,011 (Wheeler et al.) offenbart die Verwendung von Lichtleittreibern,
-kabeln und -empfängern
zum Verteilen von Synchronisationssignalen, welche phasierten Empfangsoszillatoren
zugeordnet sind. In allen drei Patenten fließen nur Digitalsignale durch
die Lichtleitoptik. Keines dieser drei Patente sendet unverarbeitete,
analoge Etikettantwortsignale über
die betreffenden Lichtleitmedien, und somit bietet keines dieser
Patente die oben angegebenen Rauschreduziervorteile der vorliegenden
Erfindung.
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Die 2, 3A-1, 3A-2, 3A-3, 3A-4 und 3B zeigen
auch das zweite hervorgehobene Rauschreduzierelement nach der vorliegenden
Erfindung, nämlich
einen rauscharmen Signalgenerator 68 zum Ansteuern des
Senders der Antennenbaugruppe 32 mit deren Grundfeldfrequenz.
Der Signalgenerator enthält
einen Oszillator 70, der eine Ausgangsfrequenz hat, die
ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfeldfrequenz ist, und einen Frequenzteiler 72 (im
Folgenden als „durch
n teilende Schaltung 72" bezeichnet),
die mit dem Oszillatorausgang verbunden ist, wobei gilt n ≥ 2. Der Ausgang des
Signalgenerators 68 wird benutzt, um den Sender der Antennenbaugruppe 32 mit
der durch n geteilten Oszillatorfrequenz anzusteuern. Dazu ist der Ausgang
des Signalgenerators 68 mit einem Schwingkreistreiber oder
einer Leistungstreiberschaltung 86 verbunden, die ihrerseits
die Senderantenne 34 ansteuert. Eine bevorzugte Leistungstreiberschaltung 86 ist
ein Typ von Klasse-E-Verstärker, der
in der US-Patentanmeldung
Nr. 08/911,843 vom 15. August 1997 mit dem Titel „Drive
Circuit For Reactive Loads" offenbart
ist, die durch Bezugnahme hier einverleibt wird. Eine Ausführungsform
einer solchen Leistungstreiberschaltung 86 ist in den 3A-1, 3A-2, 3A-3 und 3A-4 gezeigt.
Der Bereich der Erfindung beinhaltet jedoch jeden geeigneten geschalteten
Verstärker,
der ein digitales Eingangssignal akzeptiert, einschließlich herkömmlichen
Verstärkern
der Klasse C, D oder E.
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Der
Oszillator 70 kann auf dem Sender-Empfänger-Modul 18 montiert
sein, wie es in den 3A-1, 3A-2, 3A-3 und 3A-4 gezeigt ist, oder der Oszillator 70 kann
außerhalb
des Sender-Empfänger-Moduls 18 angeordnet
sein (nicht dargestellt). In der Konfiguration, in der der Oszillator
außerhalb
angeordnet ist, kann das Oszillatorausgangssignal durch die Lichtleitschaltungsanordnung 76 empfangen
werden. In diesem Fall benutzt der Sender-Empfänger-Modul 18 die
Schaltungsanordnung 77 zum Erfassen eines „Ausfalls" oder des Nichtvorhandenseins
des externen Oszillators, um benachbarte Sender-Empfänger-Module 18 zu
synchronisieren, entweder in Phase durch Verwenden eines Schaltdrahtes
J5 oder 180 Grad phasenverschoben durch Verwenden eines Schaltdrahtes
J4.
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Die 3A-1, 3A-2, 3A-3 und 3A-4 zeigen
eine bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, wobei die durch n teilende Schaltung 72 mit
einem oder mehreren in Kaskade geschalteten Triggerflipflops implementiert
ist. In den 3A-1, 3A-2, 3A-3 und 3A-4, wo
gilt n = 2, gibt es daher nur ein Flipflop. Die Feldfrequenz beträgt in dem
dargestellten Beispiel 13,56 MHz. Demgemäß wird ein Oszillator 70 gewählt, der eine
Ausgangsfrequenz von 27,12 MHz hat. Zum Vereinfachen der Schaltungsimplementierung
ist n vorzugsweise eine gerade Zahl. Auf diese Art und Weise können mehrere
Flipflops in Kaskade geschaltet werden, um durch 4, 6, 8, usw. ...
teilende Schaltungen zu erzeugen. Die Flipflopausgangssignale werden
den Q- und Q-Ausgängen
des Endstufenflipflops entnommen. Wenn n eine ungerade Zahl ist,
ist die Schaltungsimplementierung komplizierter. Eine Implementierung
mit ungerader Zahl benutzt einen Zähler und Decoder zum Decodieren
von Zählerausgangssignalen.
Der Bereich der Erfindung beinhaltet Werte von n ≥ 2. Ein praktischer
Bereich von Werten für
n ist 16 ≥ n ≥ 2.
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Die
Theorie hinter der Rauschreduzierfunktion des Signalgenerators 68 ist,
dass ein Frequenzteiler die Rauschenergie in dem Treibersignal dämpft, aber
nicht die Signalenergie des Treibersignals dämpft. Es werde das Beispiel
betrachtet, in welchem gilt n = 2. Nachdem das Oszillatorausgangssignal durch
eine durch 2 teilende Schaltung hindurchgeleitet worden ist, sind
die Amplituden der Phasenrauschenseitenbänder bei jedem gegebenen Frequenz-Offset
hälftig
geteilt, wohingegen die Amplitude des Signalteils nicht geteilt
ist. Wenn das Rauschen in dem Treibersignal bei einem besonderen Frequenz-Offset σDS ist,
dann beträgt
das resultierende Rauschen in dem Treibersignal, nachdem es durch
die durch 2 teilende Schaltung hindurchgeleitet worden ist, ½ σDS bei
demselben Frequenz-Offset. Dasselbe Prinzip gilt, wenn n größer als
2 ist. Zum Beispiel, wenn gilt n = 3, beträgt das resultierende Rauschen
1/3 σDS.
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Das
Schema eines rauscharmen Oszillators, das oben beschrieben ist,
reduziert Rauschen in dem RF-Feld beträchtlich, wodurch es erlaubt,
den Lesebereich um einen bedeutsamen Prozentsatz zu vergrößern, verglichen
mit bekannten RFID-Systemen, bei
denen irgendein solches Schema nicht benutzt wird. Zum Beispiel
kann eine Verbesserung von 10 – 20
% in der Erfassbarkeit erzielt werden, wenn dieses Schema benutzt
wird.
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Die 2 und 3A-1, 3A-2, 3A-3 und 3A-4 zeigen
auch das dritte hervorgehobene Rauschreduzierelement nach der vorliegenden
Erfindung, nämlich
die Verwendung von Filterung auf den Gleichstromleitungen. Der Etikettantworfsignalanalysiermodul 20 liefert
isolierten Gleichstrom zu dem Sender-Empfänger-Modul 18, der
seinerseits den Gleichstrom benutzt, um RF-Ströme in der Senderantenne 34 mit
der Grundfeldfrequenz zu synthetisieren und fließen zu lassen. Die Gleichstromleitungen
für den
Sender-Empfänger-Modul 18 enthalten
Hoch- und Niederfrequenzgleichtaktfilter 75 und 78 und
Hoch- und Niederfrequenzgegentaktunterdrückungsfilter 80.
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Die 3A-1, 3A-2, 3A-3 und 3A-4 zeigen
auch Spannungsregler 82 und 84 zum Speisen der
Schaltungen des RFID-Systems 16.
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6 ist
ein vereinfachtes Schaltbild, welches Teile der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hervorhebt, wobei ein oder mehrere Triggerflipflops 72 (ein
Flipflop in der dargestellten, durch 2 teilenden Ausführungsform)
die doppelte Funktion (1) der Frequenzteilung und (2) der Bereitstellung
von nichtphaseninvertierten und phaseninvertierten Ausgangssignalen
zum Ansteuern eines Senders erfüllen.
(Die Schaltungsanordnung nach 6 ist im
Detail in den 3A-1, 3A-2, 3A-3 und 3A-4 gezeigt.)
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Gemäß der Darstellung
in 6 ist das Ausgangssignal der durch 2 teilenden
Schaltung das Q-Ausgangssignal und das Q-Ausgangssignal des Flipflops 73.
Die beiden Ausgangssignale haben eine Phasendifferenz von 180 Grad
und dieselbe Frequenz, wie es in 7 dargestellt
ist. Der Einfachheit halber ist das Q-Ausgangssignal mit 0 Grad Phase bezeichnet
und kann als das „nichtphaseninvertierte Ausgangssignal" bezeichnet werden,
und das Q-Ausgangssignal ist mit 180 Grad Phase angegeben und kann
als das „phaseninvertierte
Ausgangssignal" bezeichnet
werden. Das resultierende Ausgangssignal hat somit eine Gegentaktcharakteristik. Durch
Ansteuern der Senderantenne 34 mit beiden Ausgangssignalen
erzeugt die Antenne 34 ein kontinuierliches Wellensignal.
Ein kontinuierliches Wellensignal sorgt für bessere Zeitgelegenheiten
für die
Etiketterfassung im Vergleich zu einem Impuls- oder Stoßwellenschema
für eine
Senderantenne, wie es in 2 des US-Patents Nr. 4,274,089
(Giles) offenbart ist, welche Senderausgangssignale in der Impulsbetriebsart
zeigt. Obgleich 3 des US-Patents Nr. 4,274,089
(Giles) das Senden des Q-Ausgangssignals
eines Frequenzteilerflipflops zu einem Sender eines Schwingkreisetiketts
offenbart, wird das Q-Ausgangssignal (d. h. das phaseninvertierte
Ausgangssignal) nicht zu dem Etikettsender gesendet.
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Eine
herkömmliche
Technik zum Erzielen eines Phasenteilungs (Gegentakt)-Signals zum
Ansteuern einer Senderantenne zum Erzeugen eines kontinuierlichen
Wellensignals besteht darin, einen Transformator zu verwenden. Das
Arbeiten in der Betriebsart mit kontinuierlicher Welle zeigt zum
Beispiel 6 des US-Patents Nr. 4,274,089
(Giles). Ein Transformator ist eine analoge Vorrichtung und erzeugt
beträchtliches
Rauschen, was dem Ziel widerspricht, das Systemrauschen zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung behält
das Treibersignal in digitaler Form so eng wie möglich an der Endstufe bei und benutzt
eine digitale Vorrichtung (ein Flipflop) zum Erzeu gen der phasengeteilten
Signale, wodurch die Gelegenheiten für das Erzeugen von Rauschen
in dem System reduziert werden.
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Die 8 und 9 zeigen,
wie die vorliegende Erfindung digitale Signale so eng wie möglich bei
der Endstufe benutzt, um Rauschen in der Treibersignalschaltungsanordnung
zu reduzieren. 8 ist ein herkömmliches
Schema 90 zum Ansteuern einer RFID-Senderantenne zum Erzeugen
eines kontinuierlichen Wellensignals oder ungedämpften Signals. In diesem Schema
erzeugt eine analoge Vorrichtung 92 wie ein Transformator
die phasengeteilten Signale. Das analoge Ausgangssignal des Transformators
wird durch einen Schwingkreistreiber 94 verstärkt, der
ein analoges Eingangssignal akzeptiert, und das Ausgangssignal des
Treibers wird zu der Senderantenne 34 gesendet. 9 zeigt
das Schema 96 gemäß der vorliegenden
Erfindung. In diesem Schema erzeugt eine digitale Vorrichtung, nämlich ein
oder mehrere Flipflops 74, die phasengeteilten Signale.
Das digitale Ausgangssignal des oder der Flipflops 72 wird
in einen geschalteten Verstärker 96 eingegeben,
der irgendein geeigneter Verstärker der
Klasse C, D oder E sein kann, welcher in der Lage ist, ein digitales
Eingangssignal zu akzeptieren. Ein derartiger Verstärker ist
in der US-Patentanmeldung Nr. 08/911,843 vom 15. August 1997 mit
dem Titel „Drive
Circuit For Reactive Loads" (WO-A-99/09536)
offenbart, wovon eine Implementierung in den 3A-1, 3A-2, 3A-3 und 3A-4 gezeigt ist (vgl. die Leistungstreiberschaltung 86).
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Eine
weniger bevorzugte Ausführungsform des
RFID-Systems 16, die in dem Rahmen der vorliegenden Erfindung
liegt, benutzt nur ein Ausgangssignal oder eine Phase des Flipflops 74.
Dieses Schema liefert nur die Hälfte
der Signalspannung für
eine gegebene Eingangsspannung im Vergleich zu dem bevorzugten zweiphasigen
Schema, sorgt aber immer noch für
die gewünschte
Signalrauschreduzierung und die kontinuierliche Welle.
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Das
RFID-System 16 benutzt ein amplitudenmoduliertes Antwortsignal.
Andere Modulationsschemata liegen jedoch im Rahmen der Erfindung, wie
zum Beispiel Frequenzmodulation, Impulsmodulation und Phasenmodulation.
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Die
optische Schnittstelle, die hier offenbart ist, ist eine Lichtleiterschnittstelle.
Andere optische oder Lichtschnittstellenschemata können jedoch
benutzt werden, die das Senden und Empfangen des analogen Etikettantwortsignals über eine
definierte Distanz mittels Licht gestatten.
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Das
oben beschriebene RFID-System benutzt zwar intelligente RFID-Etiketten, die Rauschreduktionsschemata
können
jedoch in RFID-Systemen benutzt werden, die andere Typen von intelligenten Schwingkreisetiketten
verwenden.
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Die
Rauschreduktionsschemata, die oben beschrieben sind, verbessern
die Etiketterfassung und erlauben einen beträchtlich vergrößerten Lesebereich.
Die vorliegende Erfindung deckt somit einen seit langem bestehenden
und bislang nicht gedeckten Bedarf in der Industrie für ein RFID-System
mit diesen verbesserten Fähigkeiten.
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Dem
Fachmann ist klar, dass Änderungen
an den oben beschriebenen Ausführungsformen
vorgenommen werden können,
ohne das breite erfinderische Prinzip derselben zu verlassen. Es
versteht sich deshalb, dass sich die Erfindung nicht auf die offenbarten
besonderen Ausführungsformen
beschränkt.