SE501335C2

SE501335C2 - Device for identification of objects

Info

Publication number: SE501335C2
Application number: SE8800426A
Authority: SE
Inventors: Kurt Olof Edvardsson
Original assignee: Rekondo Teknik Ab
Priority date: 1988-02-10
Filing date: 1988-02-10
Publication date: 1995-01-16
Also published as: SE8800426D0; EP0408573A1; DE68926619T2; WO1989007772A1; DE68926619D1; EP0408573B1; SE8800426L

Abstract

This invention relates to a method and apparatus for contactless identification of a label which incorporates passive resonators, with the aid of high-frequency magnetic fields. One significant feature of the inventive method is that large quantities of information of practical interest can be accommodated, despite the fact that the resonators can be given a Q-value which is so low as to enable the resonators to be given the form, e.g., of printed circuits mounted on plastic foil. The frequency stability requirement of the resonators is also low, which enables the labels to be produced very cheaply with the aid of suitable manufacturing techniques herefor, and also enables labels to be produced for one-time use only. The method is based on a high-frequency signal which is scanned over a broad frequency band and modulated at the same time, with appropriate detection, the modulation results in a response of narrower bandwidths than that obtained with earlier known methods, therewith enabling more resonators to be accommodated and to be separated within a given frequency range. The inventive apparatus with which the method is put into effect includes, inter alia, means for controlling the scan, modulation and amplification over the frequency band. One significant feature of the inventive apparatus resides in the provision of a coil arrangement which affords a comparatively large range while, at the same time, satisfying government regulations concerning maximum radiation powers.

Description

15 20 25 30 35 501 335 2 I US 4 023 167 (Wahlström 1977) används pulsad HF-effekt vid varierande frekvens för att avläsa en tryckt platta med reso- natorer. Genom pulsningen är sändaren avstängd under mottag- ningsintervallen men pulsningen orsakar också transienter som stör. Ett äldre patent med tryckta kretsar är US 3 671 721 (Hunn 1972) som dock är mindre detaljerat med avseende på signalbehandling. Inget av dessa två diskuterar svårigheten att kombinera användbar räckvidd för ett bredbandigt system med låg utstrålning och inte heller anges några metoder för att öka packningstätheten så att praktiskt intressanta infor- mationsmängder ryms (>109). I US 4 209 783 (Ohyama m fl 1980) används signalanpassade filter för att kunna packa passiva resonatorer tätare men däremot avser patentet kristallresona- torer och ingen frekvensmodulation används. Det senare an- vänds däremot i US 4 356 477 (Vandebult 1982) för att öka detekteringssäkerheten men eftersom en olinjär dektering (amplitud- eller fasdetektering) används och eftersom ingen filtrering ingår mellan detektorerna torde en dålig känslig- het fås. En motkopplad spole används i US 4 251 808 (Lichtblau 1981) men i första hand för att isolera sändar- och mottagarspolarna från varandra och för att undertrycka yttre störningar. In US 4,023,167 (Wahlström 1977) pulsed HF power at varying frequency is used to read a printed circuit board with resonators. Due to the pulsation, the transmitter is switched off during the reception intervals, but the pulsation also causes transients to interfere. An older patent with printed circuits is US 3,671,721 (Hunn 1972) which, however, is less detailed with respect to signal processing. Neither of these two discusses the difficulty of combining a useful range for a low-bandwidth broadband system, nor are there any methods for increasing the packing density to accommodate practically interesting amounts of information (> 109). US 4,209,783 (Ohyama et al. 1980) uses signal-adapted filters to be able to pack passive resonators more tightly, but on the other hand the patent refers to crystal resonators and no frequency modulation is used. The latter, on the other hand, is used in US 4,356,477 (Vandebult 1982) to increase detection reliability, but since a non-linear detection (amplitude or phase detection) is used and since no filtering is included between the detectors, poor sensitivity should be obtained. An opposite coil is used in US 4,251,808 (Lichtblau 1981) but primarily to isolate the transmitter and receiver coils from each other and to suppress external interference.

Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att uppnå en särskilt god känslighet och därmed detektionssäkerhet. Detta uppnås enligt uppfinningen vid en anordning för identifiering av föremål av det slag som är angivet i ingressen till krav 1, därigenom att den företer de särdrag som är angivna i den kännetecknande delen av krav 1.It is an object of the present invention to achieve a particularly good sensitivity and thus detection security. This is achieved according to the invention in a device for identifying objects of the type stated in the preamble of claim 1, in that it presents the features stated in the characterizing part of claim 1.

Etiketten innehåller ett antal resonatorer och påverkas av ett magnetfält vars frekvens sveps kontinuerligt under sam- tidig modulation av frekvens och/eller amplitud. Modulationen sprider effekten över grovt sett samma frekvensband som mot- svarar bandbredden hos en resonator. Under de tidsintervall då bärvågens frekvens är nära resonans för en av resonatorer- na kan ett svar fångas upp av en mottagare via en mottagar- 10 15 20 25 30 35 3 501 355 spole. Genom att resonatorn är smalbandig påverkas modulatio- nens olika sidoband olika och mottagarens signalbehandling framhäver ett svar från en resonator jämfört med inre och yttre störningar. Svepet gör att varje resonator orsakar en puls och hela etiketten orsakar ett pulståg under sveptiden.The label contains a number of resonators and is affected by a magnetic field whose frequency is swept continuously during simultaneous modulation of frequency and / or amplitude. The modulation spreads the power over roughly the same frequency band that corresponds to the bandwidth of a resonator. During the time intervals when the carrier frequency is close to resonance for one of the resonators, a response can be picked up by a receiver via a receiver coil. Because the resonator is narrowband, the different sidebands of the modulation are affected differently and the receiver's signal processing emphasizes a response from a resonator compared with internal and external disturbances. The sweep causes each resonator to cause a pulse and the entire label causes a pulse train during the sweep.

Svep och modulation styrs så att pulstàget blir "normerat" och olika etiketter skiljs genom att pulstågets mönster blir olika. Metoden med ett kontinuerligt svep gör att systemet blir tolerant mot uniforma förskjutningar av resonatorernas resonansfrekvenser, t ex på grund av varierande materialegen- skaper. Eftersom systemet är bredbandigt (>l oktav) är ut- formningen av sändarspolen viktig för att uppnå tillräcklig räckvidd trots att strömmen i sändarspolen begränsas av myn- dighetskrav på tillåten utstrålning. Olika arrangemang av motverkande slingor används för att ge starkt magnetfält i förhållande till strålningsfältet.Sweep and modulation are controlled so that the pulse train is "normalized" and different labels are separated by the pulse train's pattern being different. The method with a continuous sweep means that the system becomes tolerant of uniform displacements of the resonant frequencies of the resonators, for example due to varying material properties. Since the system is broadband (> 1 octave), the design of the transmitter coil is important for achieving sufficient range, even though the current in the transmitter coil is limited by regulatory requirements for permitted radiation. Different arrangements of counteracting loops are used to provide strong magnetic field relative to the radiation field.

Uppfinningen skall nu beskrivas i utföringsexempelform i an- slutning till de bifogade figurerna. Fig. l visar ett prin- cipiellt schema över den allmänna principen för signalbehand- lingen. Fig. 2 visar ett mer detaljerat kopplingsschema. Fig. 3 visar ett blockschema med en detekteringsmetod över två sidband. Fig. 4 visar visardiagram för signaler då den utsän- da signalen har två sidband: då den mottagna signalen blandas med den utsända uppstår frekvensen Zxfm men tonen balanseras vanligen bort. En resonator med bandbredden Zxfm och fo = fæs gynnas av detekteringsmetoden. Fig. 5 visar ett spolsystem med stor, enkel mottagarspole. Fig. 6 visar en principiell koppling för ett långsträckt spolarrangemang med dubbelt mot- kopplad sändarram och enkel mottagarram. Etiketten förutsätts passera längs ramen och i jämnhöjd med denna.The invention will now be described in exemplary embodiment in connection with the accompanying figures. Fig. 1 shows a principle diagram of the general principle of signal processing. Fig. 2 shows a more detailed wiring diagram. Fig. 3 shows a block diagram with a detection method over two sidebands. Fig. 4 shows pointer diagrams for signals when the transmitted signal has two sidebands: when the received signal is mixed with the transmitted one, the frequency Zxfm arises but the tone is usually balanced away. A resonator with bandwidth Zxfm and fo = fæs benefits from the detection method. Fig. 5 shows a coil system with a large, simple receiver coil. Fig. 6 shows a basic connection for an elongate coil arrangement with double-coupled transmitter frame and single receiver frame. The label is assumed to pass along the frame and flush with it.

Principen för signalbehandlingen kan illustreras av fig. 1 som visar en sändare i HF-området (t ex en 5-30 MHz), vars frekvens sveper samtidigt som den moduleras sinusformigt med frekvensmodulation. Modulationens bredd (frekvenssving) är av samma storleksordning som en resonators bandbredd som kan 10 15 20 25 30 35 501 335 4 vara 1%. Sändarspolen omger sig med ett magnetfält på nära håll men genom sina två motriktade halvor enligt fig. 1 blir strålningsfältet förhållandevis svagt. Etiketten exciteras av magnetfältet, och svephastigheten är så låg att en resonator hinner svänga igång medan sändarfrekvensen fortfarande är nära resonatorn. Om resonatorns frekvens är fr och dess Q- värde är Q kan detta uttryckas så att det skall ta minst Q/4 st perioder att ändra bärfrekvensen fr/Q. Modulationsfrekven- sen kan exempelvis väljas så att några perioder av den hinner förflyta under samma tid. En mottagarspole fångar upp ett svar från en ev resonator i närheten och detta blandas med litet av den utsända signalen. Det är naturligtvis även möj- ligt att blanda den med en modifierad upplaga av den utsända signalen. Olika läcksignaler mellan sändare och mottagare kommer att göra att man även utan resonator får ut en hel del ur blandaren. Bl a finns en långsamt varierande "likström" och en signal som varierar i takt med modulationsfrekvensen.The principle of the signal processing can be illustrated by Fig. 1 which shows a transmitter in the HF range (eg a 5-30 MHz), whose frequency sweeps at the same time as it is modulated sinusoidally with frequency modulation. The width of the modulation (frequency oscillation) is of the same order of magnitude as a bandwidth of a resonator which can be 1%. The transmitter coil is surrounded by a magnetic field at close range, but due to its two opposite halves according to Fig. 1, the radiation field becomes relatively weak. The label is excited by the magnetic field, and the sweep speed is so low that a resonator has time to swing while the transmitter frequency is still close to the resonator. If the resonator frequency is fr and its Q value is Q, this can be expressed so that it should take at least Q / 4 periods to change the carrier frequency fr / Q. The modulation frequency can, for example, be selected so that some periods of it have time to elapse during the same time. A receiver coil picks up a response from a possible resonator nearby and this is mixed with a little of the transmitted signal. Of course, it is also possible to mix it with a modified version of the transmitted signal. Different leakage signals between transmitter and receiver will mean that even without a resonator you get a lot out of the mixer. Among other things, there is a slowly varying "direct current" and a signal that varies with the modulation frequency.

Om det emellertid finns en resonator i närheten kommer även högre övertoner att kunna detekteras och både den andra och tredje tonen är typiska för en resonator om en ren sinusmodu- lation används. Den eller de toner som skall användas filtre- ras ut och förstärks, och för att undvika överstyrning bör modulationens grundton elimineras med ett spärrfilter. Efter en koherent detektor (ringmodulator) kan signalen nära den önskade övertonen filtreras ut och förstärkas. Vissa läcksig- naler finns fortfarande kvar i form av en relativt långsamt varierande signal över svepet. På grund av svephastigheten och resonatorernas Q-värde vet man rätt väl hur långa puls- svaren bör bli, och ett lagom brett bandpassfilter kommer därför att framhäva resonatorernas svar ordentligt. För att öka detekteringssäkerheten är det möjligt att bearbeta mer än en överton parallellt och det är också möjligt med en icke sinusformad modulation.However, if there is a resonator nearby, even higher harmonics will be detectable and both the second and third tones are typical of a resonator if a pure sine modulation is used. The tone or tones to be used are filtered out and amplified, and to avoid over-control, the basic tone of the modulation should be eliminated with a blocking filter. After a coherent detector (ring modulator), the signal near the desired harmonic can be filtered out and amplified. Some leakage signals still remain in the form of a relatively slowly varying signal over the sweep. Due to the sweep speed and the Q-value of the resonators, it is quite well known how long the pulse responses should be, and a reasonably wide bandpass filter will therefore emphasize the resonators' responses properly. To increase the detection reliability, it is possible to process more than one harmonic in parallel and it is also possible with a non-sinusoidal modulation.

Fig. 2 visar ett mer praktiskt anpassat blockschema där bl a svepet sker proportionellt (ett visst antal % per tidsenhet) så att alla resonatorerna ger lika långa svar även om svepet 10 15 20 25 30 35 s 501 335 är flera oktaver. En återkoppling ser också till att svepet blir noggrant definierat för att underlätta utvärderingen.Fig. 2 shows a more practically adapted block diagram where, among other things, the sweep takes place proportionally (a certain number of% per unit of time) so that all the resonators give equally long answers even if the sweep is several octaves. A feedback also ensures that the sweep is carefully defined to facilitate the evaluation.

Såväl modulationsbredd som förstärkning styrs under svepet och man kan på så sätt normera pulståget efter en testeti- kett, som mäts då och då. Däremot är modulationsfrekvensen konstant i fig. 2 för att underlätta filtreringen av signa- lerna. En analys av svaren från etiketten visar att svarets varaktighet blir ca 2-3 gånger kortare när man tittar på övertonerna jämfört med varaktigheten hos hela svaret. Man kan följaktligen packa resonatorernas frekvenser motsvarande tätare vilket är av betydelse då resonatorer med förhållande- vis lågt Q används. Ett Q-värde i området 50-100 är rimligt för en tryckt resonator på HF-området. Ett flertal metoder att filtrera och modulera är tänkbara för att optimera band- bredderna. Signalbehandlingen för att omvandla det analoga pulståget till ett binärt är utelämnad i fig. 2 men bl a innehåller den en känslighetsanpassning för att kunna mäta pà olika avstånd. En begränsning av antalet använda kombinatio- ner är också lämplig för att bygga in en feldektering.Both modulation width and gain are controlled during the sweep, and in this way the pulse train can be standardized according to a test label, which is measured from time to time. However, the modulation frequency is constant in Fig. 2 to facilitate the filtering of the signals. An analysis of the answers from the label shows that the duration of the answer is about 2-3 times shorter when you look at the harmonics compared to the duration of the entire answer. Consequently, the frequencies of the resonators can be packed correspondingly denser, which is important when resonators with a relatively low Q are used. A Q value in the range 50-100 is reasonable for a printed resonator in the HF range. Several methods of filtering and modulating are conceivable for optimizing bandwidths. The signal processing for converting the analog pulse train into a binary is omitted in Fig. 2, but among other things it contains a sensitivity adjustment to be able to measure at different distances. A limitation of the number of combinations used is also suitable for embedding an error detection.

Fig. 3 visar ett annat modulationsförfarande där en kombina- tion av frekvens- och amplitudmodulation används för att be- gränsa den utsända effekten till tre frekvenser på en gång (bärfrekvens plus/minus modulationsfrekvensen) för att mini- mera den använda bandbredden och även minska störningen från tilliggande resonatorer under avläsningen. Modulationsfrek- vensen varierar här i proportion till bärfrekvensen för att optimera signalen i förhållande till resonatorernas band- bredd. Enligt fig. 4 kan funktionen i detta fall illustreras med ett visardiagram, där andra tonen framhävs för smalbandi- ga resonatorer.Fig. 3 shows another modulation method where a combination of frequency and amplitude modulation is used to limit the transmitted power to three frequencies at once (carrier frequency plus / minus the modulation frequency) in order to minimize the bandwidth used and also reduce the interference from adjacent resonators during the reading. The modulation frequency here varies in proportion to the carrier frequency to optimize the signal in relation to the bandwidth of the resonators. According to Fig. 4, the function in this case can be illustrated with a pointer diagram, where the second tone is emphasized for narrow-band resonators.

Med termen “frekvensmodulation" som hittills använts avses även fasmodulation som ju signalmässigt är detsamma- Såväl den praktiska utformningen som parametervalet kan dock variera. 10 15 20 25 30 501 335 e Räckvidden är beroende av ett antal parametrar varav flera är oberoende av signalbehandlingen men i den angivna metoden används en liten bandbredd (exempelvis jämfört med pulsade system) som gör att såväl yttre som inre störningar under- trycks. För funktionen är det vidare viktigt att resonatorer- na är ensamma om att ha högt Q-värde (eller vara smalbandiga på HF-sidan) så att både sändarspole och mottagarspole måste göras bredbandiga och möjligast fria från parasitresonanser såväl inom sändarens frekvensband som för de övertoner till sändarfrekvensen som kan förekomma. I system med ett litet antal resonatorfrekvenser (typ stöldlarm) används ofta en avstämd mottagarspole för att öka känsligheten men det är i allmänhet inte möjligt här. Fig. 5-6 visar två tänkbara spol- arrangemang med sammanbyggd sändar- och mottagarspole.The term "frequency modulation" which has been used so far also refers to phase modulation which is signal-wise the same. However, both the practical design and the choice of parameters may vary. the specified method uses a small bandwidth (for example compared to pulsed systems) which suppresses both external and internal disturbances.For the function, it is also important that the resonators are alone to have a high Q-value (or be narrowband on HF side) so that both transmitter coil and receiver coil must be made broadband and as free as possible from parasitic resonances both within the transmitter's frequency band and for the harmonics to the transmitter frequency that may occur. increase the sensitivity but this is generally not possible here Fig. 5-6 shows two possible coil arrangements with integrated transmitter and receiver coil.

Sändarspolen har två eller flera motriktade delar för att medge förhållandevis stor ström trots att utstrålningen hålls nere. Magnetfältet nära spolen ger då en acceptabel excite- ring av etiketten. Sändarspolens storlek är ej kritisk, men mottagarspolen bör vara ungefär lika stor som den önskade räckvidden. Förutom räckvidden är etikettens orientering av betydelse. I många tillämpningar kommer etiketterna "åkande" på samma sätt men det kan också vara nödvändigt att eliminera detta beroende. Genom att använda två vinkelräta fält med 90° fasvridning kan större oberoende fås utan att behöva mäta konsekutivt i de två riktningarna. Eftersom spolarnas geo- metri blir beroende av användningen kommer den att variera för olika tillämpningar. Ett krav av stor praktisk betydelse är att utforma spolarna så att de blir bredbandiga för att undvika att störningar alstras. I systemets princip ligger att etiketternas resonatorer med god marginal skall ha högst Q-värde.The transmitter coil has two or more opposite parts to allow a relatively large current even though the radiation is kept down. The magnetic field near the coil then gives an acceptable excitation of the label. The size of the transmitter coil is not critical, but the receiver coil should be approximately equal to the desired range. In addition to the range, the orientation of the label is important. In many applications, the labels "passenger" come in the same way, but it may also be necessary to eliminate this dependency. By using two perpendicular fields with 90 ° phase shift, greater independence can be obtained without having to measure consecutively in the two directions. Since the geometry of the coils becomes dependent on the use, it will vary for different applications. A requirement of great practical importance is to design the coils so that they become broadband to avoid interference. The principle of the system is that the resonators of the labels must have a maximum Q value with a good margin.

Claims

501,335 Claims

Device for identifying objects. where each object includes a plurality of passive resonant circuits, each with its own resonant frequency, one transmitter. arranged to transmit a high-frequency magnetic field via a transmitting antenna. and arranged to be continuously swept over a frequency band. containing the said resonant frequencies. and that to frequency and / or amplitude is modulated with a modulation frequency. a receiver provided with a receiver antenna and detector means arranged to receive a signal emanating from the resonant circuits and to detect thereon a harmonic signal generated by the modulation of the transmitter in a resonant circuit to the modulation frequency, characterized in that the receiver includes a linear mixer, arranged to be supplied a signal from the receiving antenna, and a mixing signal taken from the transmitter via a phase shifter and corresponding to its transmitted signal. whereby such signals which do not originate from the resonant circuits are suppressed.

Device according to claim 1, characterized in that the modulation is a sinusoidal frequency modulation.

Device according to claim 1, characterized in that the modulation is a triangular frequency modulation.

4. Device according to claim 1, characterized in that a combination of frequency and amplitude modulation is used so that only two or four sidebands for the carrier are present.

Device according to any one of claims 1-4. characterized in that more than one channel is filtered out after the first mixer and that these channels are detected a second time with each harmonic to the modulation frequency or each combination of harmonics to the modulation frequency, the channels being detected later separately and increasing the safety against interference and other imperfections. 501 335

Device according to Claim 1, characterized in that the frequency sweep is controlled exponentially (fixed number 2 per unit of time) and the bandwidth of the modulation is controlled in a corresponding manner.

7. Device according to claim 1, characterized in that the gain is controlled during the frequency sweep so that all resonators nominally give the same amplitude. whereby a test resonator can be included for periodic and automatic calibration.

Device according to claim 1, characterized in that at least one of the resonators of the label has a fixed nominal frequency and is used for calibration so that a uniform change in the frequencies of the resonators can be compensated away. the highest and lowest frequencies being suitable for use.

Device according to claim 1, characterized in that one of the calibration resonators is significantly larger than the others and is used to start the process.

Device according to claim 1, characterized in that the number of resonators is the same on all labels in order to reduce the risk of erroneous readings and to adjust the gain so that all the resonators are included.

11. ll. Device according to claim 1, characterized in that the transmitting antenna is switched off and the current is limited so that requirements for permitted radiation are met.

Device according to claim 1, characterized in that two transmitting antennas are rotated 90 ° relative to each other and are also fed 90 ° out of phase, whereby the fields become more direction-independent and tolerant of different directions on the label.