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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft drahtlose Kommunikationssysteme. Insbesondere
betrifft die Erfindung Rückstrahlungskommunikationssysteme.
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Technischer
Hintergrund
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Rückstrahlungskommunikationssysteme sind
Stand der Technik. In einem Rückstrahlungssystem
sendet ein Transponder, wie etwa ein Abfragegerät, einen Befehl an eine entfernt
angeordnete Kommunikationsvorrichtung. Nachdem das Abfragegerät den Befehl übertragen
hat und eine Antwort erwartet, schaltet das Abfragegerät in eine
CW-Betriebsart (Dauerstrich-Betriebsart) um. In der Dauerstrich-Betriebsart überträgt das Abfragegerät keinerlei
Information. Stattdessen überträgt das Abfragegerät nur Strahlung
einer bestimmten Frequenz. Mit anderen Worten, das vom Abfragegerät übertragene
Signal ist nicht moduliert. Nachdem eine entfernt angeordnete Kommunikationsvorrichtung
einen Befehl vom Abfragegerät
empfängt,
verarbeitet die entfernt angeordnete Kommunikationsvorrichtung den
Befehl. Die entfernt angeordnete Kommunikationsvorrichtung des Rückstrahlungssystems
moduliert die ungedämpfte
Welle, indem sie zwischen der Absorption von RF-Strahlung und der
Reflexion von RF-Strahlung umschaltet. Zum Beispiel reflektiert
die entfernt angeordnete Kommunikationsvorrichtung abwechselnd das
Signal vom Abfragegerät
oder reflektiert es nicht, um ihre Antwort zu senden. Zwei Hälften einer Dipolantenne
können
entweder gemeinsam kurzgeschlossen oder voneinander getrennt sein,
um die ungedämpfte
Welle zu modulieren.
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Ein
Beispiel für
ein Rückstrahlungssystem
ist in dem auf den gleichen Anmelder übertragenen US-Patent 6 130
602, erteilt am 29. August 1996, beschrieben. Ein weiteres Beispiel
für ein
Rückstrahlungssystem
ist im US-Patent
5 649 296 für
MacLellan et al. beschrieben.
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In
Rückstrahlungssystemen
kann das reflektierte Rückstrahlungssignal
mit beliebiger Phase an ein Abfragegerät zurückgestrahlt werden, da die
Entfernung zwischen der entfernt angeordneten Kommunikationsvorrichtung
und dem Abfragegerät
unbekannt ist. Die Phase ist eine Funktion der Entfernung. Deshalb
ist im Abfragegerät
ein IQ-Abwärtsmischer (zum
Beispiel ein Quadratur-Abwärtsmischer)
enthalten. In einem IQ-Abwärtsmischer
wird das lokale Signal mit dem reflektierten Rückstrahlungssignal gemischt,
um ein In-Phase-Signal I zu erzeugen. Das lokale Signal wird mit
dem reflektierten Rückstrahlungssignal
gemischt, nachdem entweder das lokale Signal oder das reflektierte
Signal um 90° phasenverschoben
wurde, um ein Quadratursignal Q zu erzeugen. Wenn das reflektierte
Rückstrahlungssignal
mit dem lokalen Signal gemischt wird, kann das Ergebnis abhängig von
der Phase des reflektierten Rückstrahlungssignals
eine positive Spannung, eine negative Spannung oder gar keine Spannung
sein. Wenn ein periodisches Signal seinen Spitzenwert erreicht,
erreicht eine um 90° phasenverschobene
Version des gleichen Signals null. Durch Mischen bei einer Phasenverschiebung
um 90° sowie
durch Mischen des reflektierten Signals ohne eine Phasenverschiebung tritt
ein Signal mit Sicherheit am I-Ausgang, am Q-Ausgang oder an beiden auf. Ein IQ-Abwärtsmischer
wird im US-Patent 5 617 060 für
Wilson et al beschrieben.
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Normalerweise
werden Schaltungen für
verschiedene Verarbeitungsschritte mit jedem der I- und Q-Signale
gekoppelt, bevor die sich ergebenden Signale zu einem Kanal kombiniert
werden. Dies kann eine Verdopplung der Schaltungen nach sich ziehen.
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Eine
Anwendungsmöglichkeit
für Rückstrahlungskommunikationstechnik
sind drahtlose elektronische Erkennungssysteme, wie etwa solche,
die Funkfrequenz-Erkennungsvorrichtungen
aufweisen. Natürlich
gibt es auch andere Anwendungen für Rückstrahlungskommunikationstechnik.
Seit kurzem erhältliche
Funkfrequenz-Erkennungsvorrichtungen wenden ein magnetisches Kopplungssystem
an. Eine Erkennungsvorrichtung wird normalerweise mit einem einzigartigen
Kennungscode versehen, um zwischen einer Vielzahl unterschiedlicher
Vorrichtungen zu unterscheiden. Normalerweise sind die Vorrichtungen
vollkommen passiv (sie haben keine Stromversorgung), was zu einem
kleinen und tragbaren Gehäuse
führt.
Jedoch sind solche Erkennungssysteme nur zum Betrieb über eine
verhältnismäßig kurze
Reichweite fähig,
die durch die Stärke
eines Magnetfeldes begrenzt ist, das zur Stromversorgung der Vorrichtungen
und zur Kommunikation mit den Vorrichtungen verwendet wird.
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Ein
anderes drahtloses elektronisches Erkennungssystem nutzt eine große, auf
einer Leiterplatte integrierte, aktive Transpondervorrichtung, die an
einem zu überwachenden
Objekt befestigt ist und ein Signal von einem Abfragegerät empfängt. Die Vorrichtung
empfängt
das Signal, dann erzeugt und überträgt sie ein
Antwortsignal. Das Abfragesignal und das Antwortsignal sind normalerweise
Funkfrequenz-(RF-)Signale, die von einer RF-Senderschaltung erzeugt
werden. Da aktive Vorrichtungen ihre eigenen Stromquellen haben,
müssen
sie nicht in unmittelbarer Nähe
zu einem Abfragegerät
oder Lesegerät
sein, um Strom über
magnetische Kopplung zu erhalten. Daher sind aktive Transpondervorrichtungen
eher für
Anwendungen geeignet, die etwas aufspüren sollen, das sich nicht
in unmittelbarer Nähe
zu einem Abfragegerät
befinden muss, wie etwa ein Eisenbahnwaggon.
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US-Patent
5 649 296 offenbart ein Abfragegerät, das ein empfangenes Rückstrahlungssignal durch
Homodyndetektion demoduliert, um demodulierte I- und Q-Signale zu
erzeugen, die dann kombiniert werden. WO 90/09707 offenbart ein
System, bei dem empfangene I- und Q-Signale zuerst durch Bandpassverstärker geleitet
werden, um nach der Verstärkung
kombiniert zu werden.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden ein Abfragegerät
eines Rückstrahlungssystems,
wie in Anspruch 1 definiert, und ein Verfahren zur Kommunikation
in einem Rückstrahlungssystem,
wie in Anspruch 12 definiert, bereitgestellt.
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Ausführungsformen
der Erfindung stellen ein Abfragegerät zur Verwendung in einem Rückstrahlungssystem
dar. Das Abfragegerät
weist eine Antenne auf, die dafür
konfiguriert ist, ein Rückstrahlungssignal
zu empfangen. Ein IQ-Abwärtsmischer
ist mit der Antenne gekoppelt und dafür konfiguriert, das Rückstrahlungssignal
abwärtszumischen,
um I- und Q-Signale
zu erzeugen. Ein Kombinator ist direkt mit dem IQ-Abwärtsmischer
gekoppelt und dafür
konfiguriert, die I- und Q-Signale zu kombinieren, um ein kombiniertes
Signal zu erzeugen. Ein Analog-Digital-Umsetzer ist mit dem Kombinator
gekoppelt und dafür
konfiguriert, das kombinierte Signal in ein digitales Signal umzusetzen.
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In
einer Ausführungsform
ist der Kombinator ein analoger Kombinator.
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Eine
weitere Ausführungsform
stellt ein System mit einer drahtlosen Kommunikationsvorrichtung dar.
Die drahtlose Kommunikationsvorrichtung weist einen integrierten
Schaltkreis mit einem Prozessor auf. Der integrierte Schaltkreis
weist ferner einen Speicher, einen Empfänger und einen mit dem Prozessor
gekoppelten Rückstrahlungsmodulator
auf. Das System weist ferner ein Abfragegerät auf, das dafür konfiguriert
ist, einen Befehl an die drahtlose Kommunikationsvorrichtung zu übertragen
und anschließend
eine ungedämpfte
Welle bzw. einen Dauerstrich zur Modulation durch den Rückstrahlungsmodulator
an die drahtlose Kommunikationsvorrichtung zu übertragen. Das Abfragegerät weist
einen IQ-Abwärtsmischer
auf, der dafür
konfiguriert ist, ein moduliertes Rückstrahlungssignal von der
drahtlosen Kommunikationsvorrichtung zu empfangen sowie I- und Q-Signale
zu erzeugen. Das Abfragegerät
weist ferner einen Kombinator auf, der mit dem Abwärtsmischer
gekoppelt und dafür
konfiguriert ist, ein kombiniertes Signal zu erzeugen.
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Der
Kombinator ist direkt mit dem Abwärtsmischer gekoppelt.
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Eine
weitere Ausführungsform
stellt ein Verfahren zur Kommunikation in einem Rückstrahlungssystem
bereit. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines Rückstrahlungssignals.
Das Rückstrahlungssignal
wird durch einen IQ-Abwärtsmischer
abwärtsgemischt,
um I- und Q-Signale zu erzeugen. Die I- und Q-Signale werden kombiniert,
um ein kombiniertes Signal zu erzeugen. Das kombinierte Signal wird
in ein digitales Signal umgesetzt.
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Die
mit dem I-Signal gekoppelte Schaltung wurde in früheren Konstruktionen
für das
Q-Signal verdoppelt. Dadurch, dass die I- und Q-Signale früher als in anderen Konstruktionen
kombiniert werden, wird die Verdopplung der Schaltung verringert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden unten mit Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen
beschrieben, worin zeigen:
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1 ist
ein Blockschaltbild, das ein Kommunikationssystem darstellt, das
die Erfindung verkörpert.
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2 ist
eine Vorderansicht eines Dienstausweises gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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3 ist
eine Vorderansicht einer Funkfrequenz-Erkennungsmarke gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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4 ist
ein Schaltbild eines im System von 1 enthaltenen
Transponders.
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5 ist
ein Blockschaltbild eines Abfragegeräts gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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6 ist
ein Schaltbild der im Abfragegerät von 5 enthaltenen
DPSK-Schaltung.
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7 ist
ein Schaltbild der im Abfragegerät von 5 enthaltenen
RF-Schaltung.
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Beste Ausführungsformen
der Erfindung und Offenbarung der Erfindung
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1 stellt
ein drahtloses Kommunikationssystem 10 dar, das die Erfindung
verkörpert.
Das Kommunikationssystem 10 umfasst einen ersten Transponder
mit einem Abfragegerät 26 und
einem Zentralrechner 48 in Kommunikation mit dem Abfragegerät 26.
Das Kommunikationssystem 10 weist ferner eine drahtlose
Kommunikationsvorrichtung 12 auf, wie beispielsweise die
Vorrichtung, die im US-Patent 6 130 602, erteilt am 29. August 1996,
offenbart ist. In einer Ausführungsform
umfasst die drahtlose Kommunikationsvorrichtung 12 eine
drahtlose Erkennungsvorrichtung wie beispielsweise der integrierte
Schaltkreis "MicrostampTM",
der von Micron Communications, Inc., 3176 S. Denver Way, Boise,
Idaho 83705, vertrieben wird. Das Abfragegerät 26 kommuniziert
mit der Kommunikationsvorrichtung 12 über eine elektromagnetische
Verbindungsstrecke, wie etwa über
eine RF-Verbindungsstrecke (in einer Ausführungsform zum Beispiel auf
Mikrowellenfrequenzen). Wenngleich andere Ausführungsformen möglich sind,
weist die Kommunikationsvorrichtung 12 in der dargestellten
Ausführungsform
einen Transponder 16 mit einem Empfänger 30 und einem Sender 32 auf.
Die Kommunikationsvorrichtung 12 weist ferner eine Stromquelle 18 auf,
die mit dem Transponder 16 verbunden ist, um den Transponder 16 mit
Strom zu versorgen. Die Kommunikationsvorrichtung 12 weist
ferner mindestens eine mit dem Transponder 16 verbundene
Antenne zum drahtlosen Übertragen
und Empfangen auf. In der dargestellten Ausführungsform weist die Kommunikationsvorrichtung 12 mindestens
eine Antenne 46 auf, die mit dem Transponder 16 zur
Funkfrequenzübertragung
durch den Transponder 16 verbunden ist, und mindestens
eine Empfangsantenne 44, die mit dem Transponder 16 zum
Funkfrequenzempfang durch den Transponder 16 verbunden
ist. In der dargestellten Ausführungsform
ist die Sendeantenne 46 eine Dipolantenne, und die Empfangsantenne 44 ist
eine Schleifenantenne. In der dargestellten Ausführungsform hat der Transponder 16 die
Form eines integrierten Schaltkreises. Jedoch ist in alternativen
Ausführungsformen
nicht unbedingt die gesamte Schaltung des Transponders 16 in
einem einzelnen integrierten Schaltkreis enthalten.
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Die
Stromquelle 18 ist in der dargestellten Ausführungsform
eine Dünnschichtbatterie;
jedoch können
in alternativen Ausführungsformen
andere Formen von Stromquellen verwendet werden. Wenn die Stromquelle 18 eine
Batterie ist, kann die Batterie jede geeignete Form annehmen. Vorzugsweise
wird der Batterietyp in Abhängigkeit
von den Anforderungen an Gewicht, Größe und Lebensdauer für eine bestimmte
Anwendung ausgewählt.
In einer Ausführungsform
ist die Batterie 18 eine Knopfzelle mit dünnem Querschnitt,
die eine kleine, dünne
Energiezelle bildet, wie sie üblicherweise
in Uhren und kleinen elektronischen Geräten verwendet wird, die einen dünnen Querschnitt
erfordern. Eine herkömmliche Knopfzelle
besitzt ein Paar Elektroden, nämlich
eine Anode, die durch eine Oberfläche gebildet wird, und eine
Kathode, die durch eine gegenüberliegende Oberfläche gebildet
wird. In einer alternativen Ausführungsform
umfasst die Batterie ein in Reihe geschaltetes Paar von Knopfzellen.
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Die
Kommunikationsvorrichtung 12 kann in jedem/r geeigneten
Gehäuse
oder Verpackung untergebracht werden.
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2 stellt
lediglich ein Beispiel eines Gehäuses
in Form einer Karte 11 dar, die aus Kunststoff oder anderem
geeigneten Material besteht. Die Kunststoffkarte 11 beherbergt
die Kommunikationsvorrichtung 12, um einen Dienstausweis 13 mit
der Kommunikationsvorrichtung 12 zu bilden. In einer Ausführungsform
hat die Vorderseite des Etiketts 13 zusätzlich zu Erkennungstext visuelle
Erkennungsmerkmale, wie etwa ein Lichtbild des Angestellten oder
einen Fingerabdruck.
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3 stellt
ein alternatives Gehäuse
dar, das die Vorrichtung 12 trägt. Genauer gesagt, stellt 3 ein
Miniaturgehäuse 20 dar,
das die Vorrichtung 12 umschließt, um eine Erkennungsmarke
zu bilden, die von einem Objekt getragen werden kann (die zum Beispiel
an einem Objekt hängt,
an ein Objekt angefügt
ist, und so weiter).
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Wenngleich
zwei bestimmte Arten von Gehäusen
offenbart worden sind, kann die Kommunikationsvorrichtung 12 in
jedem geeigneten Gehäuse untergebracht
werden. Die Kommunikationsvorrichtung 12 ist so klein,
dass sie sich für
Anwendungen eignet, die kleine Gehäuse verwenden, wie etwa Karten,
Miniaturerkennungsmarken und so weiter. Größere Gehäuse können auch verwendet werden.
Die Kommunikationsvorrichtung 12 kann, wenn sie in irgendeinem
geeigneten Gehäuse
untergebracht wird, von einem Objekt getragen oder auf jede gewünschte Weise
an einem Objekt befestigt werden.
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Die
Abfrageeinheit 26 weist eine Vielzahl von Antennen sowie
eine Sende- und Empfangsschaltunge ähnlich den in der Vorrichtung 16 implementierten auf.
Der Zentralrechner 48 fungiert als Master in einer Master-Slave-Beziehung
mit dem Abfragegerät 26. Der
Zentralrechner 48 weist ein Anwendungsprogramm zum Steuern
des Abfragegeräts 26 und
zum Interpretieren der Antworten sowie eine Bibliothek von Anwendungen
oder Funktionen für
Funkfrequenz-Erkennungsvorrichtungen auf. Die meisten Funktionen
kommunizieren mit dem Abfragegerät 26. Diese
Funktionen bewirken die Funkfrequenzkommunikation zwischen dem Abfragegerät 26 und
der Kommunikationsvorrichtung 12.
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Das
Kommunikationssystem 10 weist eine Sendeantenne X1 und
eine Empfangsantenne R1 auf, die mit dem Abfragegerät 26 verbunden
sind. In Betrieb überträgt das Abfragegerät 26 ein
Abfragesignal oder einen Befehl 27 über die Antenne X1 ("Vorwärtsverbindung"). Die Kommunikationsvorrichtung 12 empfängt das
eingehende Abfragesignal über
ihre Antenne 44. Nach Empfang des Signals 27 antwortet die
Kommunikationsvorrichtung 12, indem sie ein Antwortsignal
oder eine Reaktion 29 erzeugt und überträgt ("Rückwärtsverbindung"). Das Abfragegerät 29 wird
unten ausführlicher
beschrieben.
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In
einer Ausführungsform
ist das Antwortsignal 29 mit Information codiert, die die
bestimmte Vorrichtung 12, die gerade sendet, eindeutig
kenntlich macht oder kennzeichnet, um jedes Objekt oder jede Person,
dem bzw. der die Kommunikationsvorrichtung 12 zugeordnet
ist, erkennen zu lassen.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform können mehrere
Kommunikationsvorrichtungen 12 verwendet werden; es findet
jedoch keine Kommunikation zwischen den Vorrichtungen 12 statt. Stattdessen
kommunizieren die mehreren Kommunikationsvorrichtungen 12 mit
dem Abfragegerät 26. 1 stellt
die Kommunikationsvorrichtung 12 in dem Gehäuse 20 aus 3 dar.
Das System würde auf ähnliche
Weise arbeiten, wenn die Vorrichtung 12 in einem Gehäuse wie
etwa dem Gehäuse 10 aus 2 oder
irgendeinem anderen geeigneten Gehäuse untergebracht wäre. Mehrere
Kommunikationsvorrichtungen 12 können im gleichen Umfeld eines Abfragegeräts 26 verwendet
werden (das heißt,
innerhalb der Kommunikationsreichweite eines Abfragegeräts 26).
Gleichermaßen
können
sich mehrere Abfragegeräte 26 in
der Nähe
einer oder mehrerer Vorrichtung(en) 12 befinden.
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Das
oben beschriebene System 10 ist gegenüber Vorrichtungen nach dem
Stand der Technik, die Magnetfeldeffektsysteme nutzen, vorteilhaft,
da mit dem System 10 eine größere Reichweite erzielt werden
kann und mehr Information bezogen werden kann (statt nur einer Identitätsnummer).
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Infolgedessen
kann ein solches System 10 zum Beispiel verwendet werden,
um große
Lagerhausbestände
mit vielen einzigartigen Produkten, die einzeln unterschieden werden
müssen,
zu überwachen,
um das Vorhandensein bestimmter Artikel in einer großen Menge
von mit Erkennungsmarke versehenen Produkten zu bestimmen.
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4 ist
ein stark abstrahiertes Schaltbild des Transponders 16,
der in den Vorrichtungen aus den 1-3 genutzt
wird. In der in 4 dargestellten Ausführungsform
ist der Transponder ein monolithischer integrierter Schaltkreis.
Insbesondere umfasst der integrierte Schaltkreis 16 in
der dargestellten Ausführungsform
einen einzelnen Chip mit einer Größe von 209 × 116 μm2,
der den Empfänger 30,
den Sender 32, einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor 34,
eine Wecker- und Logikschaltung 36, eine Taktwiederherstellungs-
und Datenwiederherstellungsschaltung 38 sowie einen Vorspannungs- und
Stromgenerator 42 aufweist.
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In
einer Ausführungsform
schalten die Kommunikationsvorrichtungen 12 unter Verwendung
der Wecker- und Logikschaltung 36 zwischen einer "Schlaf"-Betriebsart und
Betriebsarten höherer
Leistung um, um Energie zu sparen und die Batterielebensdauer während der
Zeitabschnitte zu verlängern,
in denen von der Vorrichtung 12 kein Abfragesignal 27 empfangen
wird.
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In
einer Ausführungsform
ist eine Spreizspektrum-Verarbeitungsschaltung 40 im
Transponder 16 enthalten. In dieser Ausführungsform
sind vom Abfragegerät 26 empfangene
und gesendete Signale und von der Kommunikationsvorrichtung 12 empfangene
und gesendete Signale modulierte Spreizspektrumsignale. Andere Ausführungsformen sind
möglich.
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Viele
Modulationsmethoden minimieren die erforderliche Übertragungsbandbreite.
Jedoch benötigt
die in der dargestellten Ausführungsform
angewendete Spreizspektrum-Modulationsmethode eine Übertragungsbandbreite,
die bis zu mehrere Größenordnungen
höher ist
als die minimal erforderliche Signalbandbreite. Wenngleich Spreizspektrum-Modulationsmethoden
bei Einzelnutzeranwendungen in bezug auf die Bandbreite ineffektiv
sind, sind sie dort vorteilhaft, wo es mehrere Nutzer gibt, wie
es zum Beispiel beim Sofort-Funkfrequenz-Erkennungssystem 24 der
Fall ist. Die Spreizspektrum-Modulationsmethode der dargestellten Ausführungsform
ist vorteilhaft, da das Abfragesignal von anderen Signalen (zum
Beispiel Radar, Mikrowellenöfen
und so weiter), die auf der gleichen Frequenz arbeiten, unterschieden
werden kann. Die durch die Kommunikationsvorrichtung 12 und
durch das Abfragegerät 26 übertragenen
Spreizspektrumsignale sind pseudo-zufällig und haben rauschähnliche
Eigenschaften verglichen mit dem Befehl oder der digitalen Antwort.
Die Spreiz-Wellenform wird durch eine(n) Pseudorausch- oder Pseudo-Zufallszahlen-(PN-)Folge
bzw. -Code gesteuert. Der PN-Code ist eine binäre Folge, die zufällig erscheint,
aber durch die Vorrichtung 12 auf eine vorbestimmte Weise
reproduziert werden kann. Genauer gesagt werden eingehende Spreizspektrumsignale
durch die Kommunikationsvorrichtung 12 oder das Abfragegerät 26 durch
Kreuzkorrelation mit einer Version des Pseudozufallsträgers, der
durch die Kommunikationsvorrichtung 12 selbst beziehungsweise
das Abfragegerät 26 selbst
erzeugt wurde, demoduliert. Kreuzkorrelation mit der korrekten PN-Folge
entspreizt das Spreizsprektrumsignal und stellt die modulierte Nachricht
im gleichen schmalen Band wie die Originaldaten wieder her.
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Eine
Pseudorausch- oder Pseudozufallsfolge (PN-Folge) ist eine binäre Folge
mit einer Autokorrelation, die über
eine Periode hinweg der Autokorrelation einer zufälligen binären Sequenz
gleicht. Die Autokorrelation einer Pseudorauschfolge gleicht auch
grob der Autokorrelation eines bandbegrenzten weißen Rauschens.
Eine Pseudorauschfolge hat viele Eigenschaften, die denen zufälliger binärer Folgen ähnlich sind.
Zum Beispiel hat eine Pseudorauschfolge eine nahezu gleiche Anzahl
von Nullen und Einsen, sehr geringe Korrelation zwischen verschobenen
Versionen der Folge und sehr geringe Kreuzkorrelation zwischen zwei
beliebigen Folgen. Eine Pseudorauschfolge wird normalerweise unter
Verwendung sequentieller Logikschaltungen erzeugt. Zum Beispiel
kann eine Pseudorauschfolge unter Verwendung eines Rückkopplungs- Schieberegisters
erzeugt werden.
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Ein
Rückkopplungs-Schieberegister
umfasst aufeinanderfolgende Stufen von Speicherbauelementen mit
zwei Zuständen
sowie Rückkopplungslogik.
Binäre
Folgen werden durch die Schieberegister als Antwort auf Taktimpulse
verschoben, und die Ausgangsgrößen der
verschiedenen Stufen werden logisch kombiniert und als Eingangsgrößen zur
ersten Stufe zurückgeführt. Der
ursprüngliche
Inhalt der Speicherstufen und der Rückkopplungs-Logikschaltung
bestimmt den nachfolgenden Inhalt des Speichers.
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Die
dargestellte Ausführungsform
wendet Direktsequenz-Spreizspektrum-Modulation
an. Ein Direktsequenz-Spreizspektrum-(DSSS-)System spreizt die Basisbanddaten,
indem es die Basisband-Datenimpulse
direkt mit einer Pseudorauschfolge multipliziert, die von einem
Pseudorauschgenerator erzeugt wird. Ein einzelner Impuls oder ein Symbol
der PN-Wellenform wird als "Chip" bezeichnet. Synchronisierte
Datensymbole, die Informationsbits oder binäre Kanalcodesymbole sein können, werden
zu den Chips Modulo-2-addiert, bevor sie moduliert werden. Der Empfänger führt die
Demodulation durch. In einer Ausführungsform werden die Daten
zum Beispiel amplitudenmoduliert. Angenommen, dass eine Codesynchronisierung
im Empfänger erreicht
wurde, dann durchläuft
das empfangene Signal einen Breitbandfilter und wird mit einer lokalen Kopie
der PN-Codefolge multipliziert. Diese Multiplikation ergibt das
ungespreizte Signal.
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Eine
Pseudorauschfolge ist normalerweise eine ungerade Anzahl von Chips
lang. In der dargestellten Ausführungsform
wird ein Datenbit durch eine Folge von einunddreißig Chips
dargestellt. Ein Null-Datenbit wird dargestellt, indem die Pseudorauschfolge
invertiert wird.
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Spreizspektrum-Methoden
sind auch in "Spread
Spectrum Systems" von
R. C. Dixon, herausgegeben von John Wiley and Sons, Inc., offenbart.
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Im
Betrieb sendet das Abfragegerät
einen Befehl aus, der um eine bestimmte Mittenfrequenz (zum Beispiel
2,44 GHz) herum gespreizt ist. Nachdem das Abfragegerät den Befehl übertragen
hat und eine Antwort erwartet, schaltet das Abfragegerät in eine
CW-Betriebsart (Dauerstrich-Betriebsart)
um. In der Dauerstrich-Betriebsart überträgt das Abfragegerät keinerlei
Information. Stattdessen überträgt das Abfragegerät nur 2,44-GHz-Strahlung. Mit anderen Worten,
das vom Abfragegerät übertragene
Signal ist nicht moduliert. Nachdem die Kommunikationsvorrichtung 12 den
Befehl vom Abfragegerät
empfangen hat, verarbeitet die Kommunikationsvorrichtung 12 den
Befehl. Wenn die Kommunikationsvorrichtung 12 in einer
Rückstrahlungsbetriebsart
ist, reflektiert sie abwechselnd das Signal vom Abfragegerät bzw. reflektiert
es nicht, um ihre Antwort zu senden. Zum Beispiel sind in der dargestellten
Ausführungsform zwei
Hälften
einer Dipolantenne entweder gemeinsam kurzgeschlossen oder voneinander
getrennt, um eine Antwort zu senden.
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Wenn
das Abfragegerät
einen Befehl an eine Kommunikationsvorrichtung 12 sendet,
kann es wichtig sein, ob der Befehl von der Kommunikationsvorrichtung 12 ausgeführt wurde
und ob das Abfragegerät
weiß,
dass der Befehl ausgeführt
wurde. Deshalb kann es wünschenswert
sein, mehr Reserven auf der Rückwärtsverbindung
zu haben als auf der Vorwärtsverbindung,
so dass das Abfragegerät, wenn
es einen Befehl an eine Kommunikationsvorrichtung 12 sendet,
einigermaßen
sicher sein kann, eine Antwort zu erhalten. Andernfalls kann die
Kommunikationsvorrichtung 12, wenn sie sich im Grenzbereich
der Kommunikationsreichweite befindet, einen Befehl vom Abfragegerät empfangen
haben, ihre Betriebsart zu ändern,
ohne dass das Abfragegerät imstande
ist, eine Bestätigung
von der Kommunikationsvorrichtung 12 zu erhalten. Es kann
auch Szenarien geben, in denen es wünschenswert ist, mehr Reserven
auf der Vorwärtsverbindung
zu haben als auf der Rückwärtsverbindung.
Somit kann in der dargestellten Ausführungsform das Leistungsniveau
für die Vorwärtsverbindung
unabhängig
vom Leistungsniveau für
die Rückwärtsverbindung
festgesetzt werden, wie unten ausführlicher beschrieben wird.
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In
einer Ausführungsform
wird der Takt für den
gesamten integrierten Schaltkreis 16 durch die Taktwiederherstellungs-
und Datenwiederherstellungsschaltung 38 aus der eingehenden
Nachricht selbst entnommen. Dieser Takt wird aus der eingehenden
Nachricht wiederhergestellt und zum Takten für den Mikrocontroller und alle
anderen Taktschaltungen auf dem Chip sowie zur Ableitung des Sendeträgers oder
des Hilfsträgers
verwendet, in Abhängigkeit
davon, ob der Sender in der aktiven Betriebsart oder in der Rückstrahlungsbetriebsart
arbeitet.
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Zusätzlich zum
Wiederherstellen des Takts führt
die Taktwiederherstellungs- und Datenwiederherstellungsschaltung 38 auch
die Datenwiederherstellung mit gültigen
eingehenden Signalen durch. Das gültige eingehende Spreizspektrumsignal
wird durch die Spreizspektrum-Verarbeitungsschaltung 40 geleitet,
und die Spreizspektrum-Verarbeitungsschaltung 40 entnimmt
die tatsächlichen
Einsen und Nullen der Daten aus dem eingehenden Signal. Genauer
gesagt nimmt die Spreizspektrum-Verarbeitungsschaltung 40 die
Chips aus dem Spreizspektrumsignal und reduziert jeden Abschnitt
von einunddreißig
Chips auf ein Eins- oder Null-Bit, das an den Mikrocontroller 34 weitergegeben
wird.
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Der
Mikrocontroller 34 weist einen seriellen Prozessor oder
eine I/O-Einrichtung
auf, die die Bits von der Spreizspektrum-Verarbeitungsschaltung 40 empfangen
hat. Der Mikrocontroller 34 führt ferner eine Fehlerkorrektur
durch. Genauer gesagt wird ein modifizierter Hamming-Code angewendet, wobei
jeweils acht Datenbits durch fünf
Prüfbits
begleitet werden, die vom Mikrocontroller 34 zur Fehlerkorrektur verwendet
werden. Der Mikrocontroller 34 weist ferner einen Speicher
auf, und nach Durchführung
der Datenkorrektur speichert der Mikrocontroller 34 die Bytes
der Datenbits im Speicher. Diese Bytes enthalten einen vom Abfragegerät 26 gesendeten
Befehl. Der Mikrocontroller 34 antwortet auf den Befehl.
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Zum
Beispiel kann das Abfragegerät 26 einen
Befehl senden, der fordert, dass jede Kommunikationsvorrichtung 12 im
Feld mit der Identifizierungsnummer der Vorrichtung antwortet. Außerdem wird
Zustandsinformation von der Kommunikationsvorrichtung 12 an
das Abfragegerät 26 zurückgesendet,
wenn die Kommunikationsvorrichtung 12 antwortet.
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Die übertragenen
Antworten haben ein Format ähnlich
dem Format eingehender Nachrichten. Genauer gesagt beginnt eine
Antwort mit einer Präambel
(zum Beispiel alle Nullen in der aktiven Betriebsart oder abwechselnd
Doppel-Nullen und Doppel-Einsen in der Rückstrahlungsbetriebsart), gefolgt von
einem Barker- oder Startcode, gefolgt von den eigentlichen Daten.
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Die
eingehende Nachricht und die abgehende Antwort weisen vorzugsweise
auch eine Prüfsumme
oder einen Redundanzcode auf, so dass der integrierte Schaltkreis 16 oder
das Abfragegerät 26 den Empfang
der gesamten Nachricht oder Antwort bestätigen kann.
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Das
Abfragegerät 26 stellt
eine Kommunikationsverbindung zwischen einem Zentralrechner und dem
Transponder 16 bereit. Das Abfragegerät 26 stellt eine Verbindung
zum Zentralrechner 48 über eine
verbesserte Parallelschnittstelle (EPP) gemäß IEEE-1284 her. Das Abfragegerät kommuniziert
mit dem Transponder 16 über
die RF-Antennen X1 und R1.
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Eine
Maximallängen-Pseudorausch-(PN-)Folge
wird im Direktsequenz-Spreizspektrum-(DSSS-)Kommunikationsschema
in der Vorwärtsverbindung
verwendet. In einer Ausführungsform
wird die Folge durch ein lineares Rückkopplungs-Schieberegister
erzeugt. Dieses erzeugt eine sich wiederholende Folge aus mehreren "Chips".
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Ein
Null-Bit wird als ein invertierter voller Zyklus der PN-Folge übertragen.
Ein Eins-Bit wird als voller nicht-invertierter Zyklus der PN-Folge übertragen.
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Nach
dem Senden eines Befehls sendet das Abfragegerät ein kontinuierliches unmoduliertes RF-Signal
mit einer Frequenz von 2,44175 GHz. Rückwärtsverbindungsdaten werden
auf einen Rechteckwellen-Hilfsträger
mit einer Frequenz von 596,1 kHz phasendifferenz-(DPSK-)moduliert.
Ein Datenwert 0 entspricht einer Phase, und ein Datenwert 1 entspricht
einer anderen Phase, die gegenüber
der ersten Phase um 180° verschoben
ist. Der Hilfsträger
wird verwendet, um die Antennenimpedanz eines Transponders 16 zu
modulieren. Bei einem einfachen Dipol wird ein Schalter zwischen
den beiden Hälften
der Dipolantenne geöffnet
und geschlossen. Wenn der Schalter geschlossen ist, wird die Antenne
zum elektrischen Äquivalent
einer einzelnen Halbwellen-Antenne,
die einen Teil der durch das Abfragegerät übertragenen Leistung reflektiert. Wenn
der Schalter geöffnet
ist, wird die Antenne zum elektrischen Äquivalent zweier Viertelwellen-Antennen,
die sehr wenig von der durch das Abfragegerät übertragenen Leistung reflektieren.
In einer Ausführungsform
ist die Dipolantenne eine gedruckte Mikrostreifen-Halbwellen-Dipolantenne.
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In
einer Ausführungsform
(siehe 5) weist das Abfragegerät 26 eine verbesserte
Parallelschnittstellen-(EPP-)Schaltung 50, eine DPSK-(Phasendifferenzumtastungs-)Schaltung 52 und
eine RF-(Funkfrequenz-)Schaltung 54 sowie
eine Stromquelle (nicht dargestellt) und ein Gehäuse oder Chassis (nicht dargestellt)
auf. In der dargestellten Ausführungsform
bilden die verbesserte Parallelschnittstellenschaltung 50,
die DPSK-Schaltung 52 und die RF-Schaltung 54 Leiterplattenbausätze (CCAs).
Das Abfragegerät
verwendet eine IEEE-1284-kompatible Schnittstelle in der EPP-Betriebsart,
um mit dem Zentralrechner 48 zu kommunizieren. Die EPP-Schaltung 50 stellt
digitale Logik bereit, die erforderlich ist, um das Senden und Empfangen
einer Nachricht mit einem Transponder 16 zu koordinieren.
Die EPP-Schaltung 50 speichert zu übertragende Daten vom Zentralrechner 48 zwischen,
setzt die Daten in serielle Daten um und codiert sie. Die EPP-Schaltung 50 wartet
dann auf Daten vom Transponder 16, setzt sie in parallele
Daten um und übermittelt
sie an den Zentralrechner 48. In einer Ausführungsform
umfassen Nachrichten bis zu 64 Bytes an Daten.
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Die
EPP-Betriebsart-Schnittstelle stellt einen asynchronen, verschachtelten,
ein Byte breiten, bidirektionalen Kanal bereit, der von einem Zentralgerät gesteuert
wird. Die EPP-Betriebsart gestattet es dem Zentralrechner, ein Datenbyte
mit hoher Geschwindigkeit zum/vom Abfragegerät innerhalb eines einzigen
Zentralrechner-CPU-I/O-Zyklus (normalerweise 0,5 Mikrosekunden pro
Byte) zu übertragen.
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Die
DPSK-Schaltung 52 (siehe 6) empfängt Signale
I und Q von der RF-Schaltung 54 (unten beschrieben), wobei
die Signale den DPSK-modulierten
Hilfsträger
enthalten. Die DPSK-Schaltung 52 weist einen Kombinator 64 auf,
der mit den I- und Q-Signalen gekoppelt ist und der die analogen
Signale kombiniert, um ein kombiniertes Signal 85 zu erzeugen.
Der Kombinator 64 weist einen Phasenschieber 87 auf,
der dafür
konfiguriert ist, eines der Signale I und Q um 90° zu verschieben,
bevor die Signale in einem Addierer 89 kombiniert werden.
Der Kombinator 64 ist ein analoger Quadraturkombinator. In
der dargestellten Ausführungsform
ist der Kombinator 64 direkt mit einem Quadratur-Abwärtsmischer 84 (7) gekoppelt.
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Die
DPSK-Schaltung 52 weist ferner einen Verstärker 86 auf,
der mit dem Kombinator 64 gekoppelt und dafür konfiguriert
ist, das kombinierte Signal 85 zu verstärken, um ein verstärktes Signal 90 zu
erzeugen. Die DPSK-Schaltung 52 weist ferner eine Schaltung
mit automatischer Verstärkungsregelung 88 auf,
die mit dem Verstärker 86 gekoppelt
und dafür konfiguriert
ist, das verstärkte
Signal 90 zu verstärken,
um ein zweifach verstärktes
Signal 91 zu erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform
umfasst die Schaltung mit automatischer Verstärkungsregelung 88 einen
spannungsgesteuerten Verstärker.
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Die
DPSK-Schaltung 52 weist ferner einen Analog-Digital-Umsetzer 72 auf,
der mit der Schaltung mit automatischer Verstärkungsregelung 88 gekoppelt
und dafür
konfiguriert ist, das kombinierte Signal in ein digitales Signal
umzusetzen.
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Die
DPSK-Schaltung 52 weist ferner einen Analog-Digital-Umsetzer 72 auf,
der mit der Schaltung mit automatischer Verstärkungsregelung 88 gekoppelt
ist, um das Signal 91 von einem analogen Signal in ein
digitales Signal umzusetzen. Die DPSK-Schaltung 52 weist
ferner einen Bitsynchronisator 74 auf, der zur Wiederherstellung
des Datentakts mit dem Analog-Digital-Umsetzer 72 gekoppelt ist.
Die DPSK-Schaltung 52 weist ferner eine Phasensynchronisationserkennungsschaltung 76 auf,
die mit dem Analog-Digital-Umsetzer 72 gekoppelt ist und
ein Phasensynchronisationserkennungssignal erzeugt. Die Daten, der
Takt und das Phasensynchronisationserkennungssignal werden an die
EPP-Schaltung 50 gesendet.
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Die
RF-Schaltung 54 (siehe 7) wirkt
mit den Sende- und Empfangsantennen X1 und R1 zusammen. Die RF-Schaltung
moduliert die Daten zur Übertragung
an einen Transponder 16, stellt einen Dauerstrich- (CW-)Träger für die Rückstrahlungskommunikation
mit einem Transponder 16 bereit (wenn Rückstrahlungskommunikation angewendet
wird) sowie empfängt
das von der Transpondereinheit empfangene Signal (das in einer Ausführungsform
ein Rückstrahlungssignal
ist) und mischt es abwärts.
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Die
RF-Schaltung 54 weist auch einen Leistungsverteiler 73 und
einen mit dem Leistungsverteiler 73 gekoppelten Frequenzsynthesizer 75 auf.
Der Frequenzsynthesizer 75 stimmt den Dauerstrich-RF-Träger ab.
Die RF-Schaltung bildet einen Sender und empfängt Daten von der EPP-Schaltung 50.
Die RF-Schaltung 54 weist einen Amplitudenmodulations-(AM-)Schalter 77 auf,
der die Daten von der EPP-Schaltung 50 empfängt und
die Daten auf einen Träger
amplitudenmoduliert. Genauer gesagt schaltet der AM-Schalter 77 die
RF ein und aus (Ein-Aus-Tastung). Die RF-Schaltung 54 weist ferner einen
mit dem AM-Schalter 77 gekoppelten Leistungsverstärker 79 auf,
der das Signal verstärkt.
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Während der
Dauerstrich-(CW-)Übertragung für die Rückstrahlungsbetriebsart
wird der AM-Schalter 74 in einer geschlossenen Position
belassen. Wenn das Abfragegerät 26 in
der CW-Betriebsart überträgt, strahlt
der Transponder 16 das Signal mit einem DPSK-modulierten Zwischenträger zurück. Dieses
Signal wird über
die Empfangsantenne R1 empfangen. Die RF-Schaltung 54 weist
ferner einen rauscharmen Verstärker
(LNA) 82 auf, der mit der Antenne R1 gekoppelt ist und
das empfangene Signal verstärkt.
Die RF-Schaltung 54 weist ferner einen mit dem LNA 82 gekoppelten
Quadratur-Abwärtsmischer 84 auf,
der das empfangene Signal kohärent
abwärtsmischt.
Der Quadratur-Abwärtsmischer
mischt das empfangene Signal mit einem lokal erzeugten Signal vom
Frequenzsynthesizer 75 und einem um 90° phasenverschobenen Signal,
um Basisbandsignale I und Q (In-Phase- und Quadratursignale) zu
erzeugen. Die I- und Q-Signale, die den DPSK-modulierten Zwischenträger enthalten,
werden zur Demodulation an die DPSK-Schaltung 52 (6)
weitergegeben.
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Ein
Beispiel für
einen Befehl, der vom Abfragegerät 26 an
die Kommunikationsvorrichtung 12 gesendet werden kann,
ist ein Identify-Befehl (Identitätsbestimmungsbefehl).
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Ein
Identify-Befehl wird verwendet, wenn versucht wird, die Identität einer
oder mehrerer der Vorrichtungen 12 zu bestimmen. Jede Kommunikationsvorrichtung 12 hat
ihre eigene Identitätsnummer Tagld.
Es ist möglich,
dass das Abfragegerät
eine verstümmelte
Antwort erhält,
wenn mehr als eine Erkennungsmarke mit einer Antwort reagiert. Wenn Antworten
von mehreren Erkennungsmarken empfangen werden, wird ein Entscheidungsschema
verwendet, um eine einzelne Kommunikationsvorrichtung 12 einzugrenzen.
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Ein
WriteDigitalPort-Befehl (Digitalport-Schreibbefehl) wird verwendet,
um Daten in den synchronen seriellen Port einer Kommunikationsvorrichtung 12 zu
schreiben.
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Ein
WriteTagld-Befehl (Identitätsnummer-Schreibbefehl)
wird verwendet, um die Tagld einer Kommunikationsvorrichtung 12 zu
aktualisieren.
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Ein
IdentifyAll-Befehl (Befehl zur Identitätsbestimmung aller Tagld) holt
die Anzahl der innerhalb der Kommunikationsreichweite des Systems
gefundenen Kommunikationsvorrichtungen 12 ein.
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Somit
ist ein Abfragegerät
mit einem an einen Quadratur-Abwärtsmischer
gekoppelten Kombinator bereitgestellt worden. Dadurch, dass die
I- und Q-Signale in einem Abfragegerät früher als in anderen Konstruktionen
kombiniert werden, wird die Verdopplung von Schaltungen verringert.