NAHBEREICHSDATENUBERTRAGUNG MIT GERINGEREN DATENRATEN UNTER VERWENDUNG EINES GEE IGNETEN ELEKTRISCHEN STREUFELDES
Die Erfindung betrifft ein Nachrichtenübertragungssystem mit einem Sender der kapazitiv an eine Umgebung angekoppelt ist, und einem ebenfalls kapazitiv an die Umgebung angekoppelten Empfänger.
Ein Nachrichtenübertragungssystem der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der Y O 96/36134 bekannt geworden. Das bekannte System weist einen Sender und einen Empfänger auf, die über den Körper eines Benutzers und der Umgebung miteinander verbunden sind. Der Sender erzeugt hierbei ein niederfrequentes Signal, welches sich durch kapazitive Kopplung in Form eines Verschiebungsstromes durch den Körper des Benutzers bis zu einem Empfänger fortpflanzt, wobei der Stromkreis zwischen Sender und Empfänger über die Umgebung geschlossen wird. Der Sender weist eine innere Elektrode und eine äußere Elektrode und einem Signalgenerator zur Modulierung der Spannung zwischen den Elektroden auf. Die innere Elektrode ist hierbei derart kapazitiv an den Körper des Benutzers gekoppelt, sodass das von dem Elektrodenpotential hervorgerufene quasielektrostatische Feld einen Verschiebungsstrom in dem Körper des Benutzers hervorruft. Die äußere Elektrode ist so angeordnet, dass ihre Kopplung an die Umgebung stärker ist als die Kopplung an die innere Elektrode, sodass der Stromkreis zwischen Sender und Empfänger über die Umgebung geschlossen ist.
Der Empfänger ist ähnlich aufgebaut wie der Sender und weist einen Detektor bzw. Demo- dulator auf, welcher das empfangene Signal detektiert. Eine innere Elektrode des Empfängers ist ebenfalls kapazitiv an den Körper des Benutzers gekoppelt, sodass der Verschiebungsstrom durch den Körper des Benutzers zu der inneren Elektrode des Empfängers fließt. Der Strom fließt dann durch den Detektor zu der anderen Elektrode, welche asymmetrisch mit der Umgebung gekoppelt ist. Der Detektor ermittelt aus dem Verschiebungsstrom das übermittelte Signal, welches einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden kann.
Nachteilig an der bekannten Ausführungsform ist, dass aufgrund der Verwendung niederfrequenter Signale - im Bereich von einigen 100 kHz, dass der kapazitive Anteil der Kopplungsimpedanz an den Körper eines Benutzers sehr hoch ist, sodass der Empfänger im wesentlichen unmittelbar mit dem Körper gekoppelt sein muss oder ein Koppelelement mit einer niedrigen Impedanz und somit mit großen Abmessungen erforderlich ist, um eine Nachrichtenübertragung zu ermöglichen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Nachrichtenübertragungssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem eine Nachrichtenübertragung auch dann möglich ist, wenn Sender und Empfänger weiter voneinander entfernt sind und nicht immer über einen Körper eines Benutzers miteinander verbunden sind.
Diese Aufgabe wird mit einem Nachrichtenübertragungssystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Sender und der Empfänger über zumindest ein durch mindestens ein hochfrequentes elektrisches Signal erzeugtes elektrisches Streufeld miteinander gekoppelt sind, wobei der Sender oder der Empfänger kapazitiv mit dem Körper eines Benutzers gekoppelt ist.
Durch die Verwendung von hohen Frequenzen wird der Einfluss der Koppelimpedanz bei der Nachrichtenübertragung zwischen Sender und Empfänger minimiert und durch den immer stärker werdenden Einfluss der Streufelder, über welche der Sender und der Empfänger auch gekoppelt werden, zurückgedrängt. Wird der Sender an einem Körper getragen, so vergrößert sich die Einflusszone des Streufeldes infolge der Körperoberfläche entsprechend.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Verlagerung der Übertragungsstrecke in ein quasistationäres Nahfeld bzw. Streufeld mit einem hochfrequenten Wechselstrom. Aus feldtheoretischen Überlegungen ist bekannt, dass die in das jeweilige System eingespeiste elektromagnetische Energie im Nahfeld gespeichert werden kann, ohne abgestrahlt zu werden. Bietet das jeweilige Übertragungssystem die Voraussetzungen für das Zustandekommen eines Strahlungsmodus und damit für das Ablösen des Feldes von der elektrischen Struktur, so spricht man von einer Antenne. Sind diese Voraussetzungen nicht gegeben oder erschwert, so bleibt die in die jeweilige Struktur eingespeiste elektrische Energie vorwiegend in der Nahzone konzentriert. Ein Teil dieses Feldes geht durch ohmsche Verluste oder durch geringe Abstrahlung verloren. Da das Nahfeld in einem engen Raum um die leitende Struktur (bis zu einer Distanz von weniger ca. 0,16 Wellenlängen) komprimiert ist, kann das erregte Feld in dieser Zone beträchtliche elektrische (und gegebenenfalls auch magnetische ) Feldstärkewerte erreichen, auch dann wenn die in die Struktur eingespeiste Leistung gering ist. Diese Felder kann man für die Übertragung von elektrischen Signalen nutzen. Durch die Konzentration der Leistung im Nahfeld wird auch eine Ausstrahlung hochfrequenter Energie in die Umgebung unterbunden, welche ansonsten zunehmend Störungen in fremden und eigenen Systemen zu Folge haben könnten. Eine Zulassung bei Funkbehörden ist somit nicht mehr notwendig, da die Störreichweite und Amplituden nur ganz gering gehalten werden können. Die Verluste auf der Übertragungsstrecke werden reduziert und der Stromverbrauch kann minimiert werden.
Bei der Erfindung kann im Gegensatz zu der bekannten Lösung der Empfänger auch räumlich weit von dem Körper entfernt sein, wobei ein von dem Körper ausgestreutes, durch das Signal hervorgerufenes, elektrisches Feld in den Empfänger eingekoppelt werden kann.
Vorteilhafterweise ist das von dem Körper ausgestreute, elektrische Feld mit einer zu übertragenden Nachricht moduliert.
Günstigerweise weist das von dem Sender erzeugte Signal eine Frequenz auf, die über 1 MHz beträgt.
Mit der Erfindung kann unter anderem ein System zur Überprüfung einer Zugangsberechtigung realisiert werden, welches ein Nachrichtenübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist, wobei der Empfänger mit einer Steuerung verbunden ist, welche dazu eingerichtet ist, anhand einer von dem Sender übermittelten Nachricht die Zugangsberechtigung zu überprüfen.
Weiters eignet sich das erfindungsgemäße Nachrichtenübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Erzeugung eines Verlustalarms, sobald ein mit einem Sender oder Empfänger ausgestatteter Gegenstand den Einflussbereich eines ihm zugeordneten anderen Senders oder Empfängers, der am Körper einer Person getragen wird, verlässt, ein Alarmsignal ausgelöst wird.
Darüber hinaus kann ein Nachrichtenübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Überwachung von Personen verwendet werden, bei welchem sobald eine Person, die einen Sender oder Empfänger trägt den Einflussbereich eines ihrem Sender oder Empfänger zugeordneten anderen Senders oder Empfängers verlässt, ein Alarmsignal ausgelöst wird.
Die Erfindung samt weiterer Vorteile wird im Folgenden anhand einiger nicht einschränkender Ausführungsbeispiele näher erläutert, welche in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigen schematisch:
Fig. 1 eine erste Variante eines erfindungsgemäßes Nachrichtenübertragungssystems;
Fig. 2 eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Nachrichtenübertragungssystems;
Fig. 3 eine dritte Variante eines erfindungsgemäßen Nachrichtenübertragungssystems;
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Nachrichtenübertragungssystems und
Fig. 5 ein Ersatzschaltbild für die Umgebung.
Gemäß Fig. 1 weist ein erfindungsgemäßes Nachrichtenübertragungssystem einen Sender SEN auf der sowohl an den Körper KOR eines Benutzers als auch an die Umgebung UGR kapazitiv gekoppelt ist, ein derartiger Sender SEN ist aus der eingangs zitierten WO 96/36134 bekannt geworden. Durch die kapazitive Kopplung des Senders an den Körper KOR und der Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Signals wird um den Körper KOR ein elektrisches Streufeld FEL erzeugt, welches mit einer zu übertragenden Nachricht NAR moduliert werden kann.
Zur Herstellung des Streufeldes FEL ist die Erzeugung eines hochfrequenten Signals wesentlich, wobei neben einer erforderlichen Signalquelle, beispielsweise einem Signalgenerator, zur Erzeugung eines Wechselstromsignals auch eine kapazitiv mit der Signalquelle gekoppelte, elektrisch leitende Struktur, von Vorteil ist. Die Signalquelle kann, wie aus der WO 96/36134 bekannt auch in den Sender integriert sein. Die Oberfläche der Struktur ist günstigerweise wesentlich größer als die Oberfläche eines Koppelementes, beispielsweise einer Elektrode, über welches der Signalgenerator bzw. Sender mit der Struktur gekoppelt ist.
Es hat sich herausgestellt, dass das Streufeld FEL so ausgebildet ist, dass es im Wesentlichen auf einen räumlich begrenzten Bereich um den Körper KOR bzw. die das Streufeld erzeugende Struktur beschränkt ist. Die Größe dieses Bereiches kann durch die Wahl der Frequenz und die Größe der Oberfläche bzw. die Form der Struktur bzw. des Körpers KOR beeinflusst werden.
Das Streufeld FEL kann über ein kapazitives Koppelement, beispielsweise eine Elektrode, in einen Empfänger EMP eingekoppelt werden. Sowohl der Sender SEN als auch der Empfänger EMP weisen je eine Koppelkapazität gegen die Umgebung UGR auf, die durch eine Elektrode des Senders SEN bzw. Empfängers EMP und der leitenden Umgebung UGR als zweite Elektrode gebildet wird. In der Hier dargestellten Variante der Erfindung koppelt das Streufeld FEL in einen metallischen Infrastrukturkörper, beispielsweise einen metallischen Türrahmen TUR ein - der Infrastrukturkörper stellt hierbei eine Kopplungskapazität dar. Der Türrahmen TUR kann seinerseits mit dem Empfänger EMP kapazitiv gekoppelt, wobei der Empfänger EMP als Koppelelement an den Türrahmen TUE eine Elektrode aufweist, sodass ein in den Türrahmen induzierter Verschiebungsstrom an den Empfänger EMP übermittelt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, dass der Türrahmen TUE das Kopplungselement für den Empfänger EMP, also dessen Elektrode darstellt.
Es ist jedoch auch möglich, dass zwei Streufelder FEI, FE2 (Fig. 2) miteinander gekoppelt werden. Hierbei können sowohl der Sender SEN als auch der Empfänger EMP bereits oben erwähnte Mittel zur Erzeugung hochfrequenter Signale aufweisen, wobei je ein Streufeld FEI, FE2 erzeugt wird, die durch Überlagerung miteinander gekoppelt werden können. Hierzu ist es nicht notwendig, dass zwischen der Senderstruktur (Körper und Sender) und der Empfängerstruktur (Empfänger und Infrastrukturelement) noch ein weiteres Leitungselement vorhanden ist. Die miteinander gekoppelten Streufelder FEI, FE2 bilden eine Nachrichtenübertragungsstrecke zwischen dem Sender SEN und dem Empfänger EMP, über welche ein Verschiebungsstrom fließen kann. Der Empfänger EMP ist, wie bereits oben erwähnt, seinerseits kapazitiv an die Umgebung UGR gekoppelt, sodass ein Stromkreis zwischen dem Sender SEN und dem Empfänger EMP geschlossen ist. Der Rückfluss des Stromes geschieht hierbei über einen Verschiebungsstrom im quasistationären elektrischen Nahfeld der Bodenkapazitäten des Empfängers EMP zum Boden über den Leitungsstrom in die Umgebung UGR und über die Bodenkapazitäten des Senders SEN zurück zum Sender.
Das erfindungsgemäße Nachrichtenübertragungssystem kann zur Überprüfung einer Zugangsberechtigung verwendet werden. Nähert sich eine Person, die an Ihrem Körper den Sender SEN trägt der Tür, so kann über die Streufeldkopplung an den Empfänger eine Nachricht NAR, betreffend eine Zugangsberechtigung, an den Empfänger übermittelt werden, die von einer Steuereinheit ausgewertet werden kann. Abhängig von dem Ergebnis der Auswertung kann dann eine automatische Öffnung der Tür erfolgen. Somit kann schon bei einer Annäherung einer Person an eine Tür über eine Zugangsberechtigung entschieden werden.
Auch hier kann über die Streufeldkopplung ein Nachrichtenaustausch zwischen dem Sender und dem Empfänger erfolgen. Anhand der ausgetauschten Nachrichten NAR kann überprüft werden, ob die sich dem Fahrzeug nähernde Person zur Benutzung des Fahrzeuges berechtigt ist.
Nach Fig. 3 kann das erfindungsgemäße System auch zur Kontrolle einer Zugangsberechtigung für einen Computer verwendet werden. Hierbei kann ein Empfänger mit einer Koppelelektrode bzw. einem Koppelkondensator für das von dem Sender erzeugte Streufeld vorgesehen sein, der mit einer Steuerung verbunden sein kann, welche für die Zugangskontrolle zu dem Computer zuständig ist. Auch in diesem Fall ist natürlich auch alternativ eine Kopplung von Streufeldern des Senders und des Empfängers zur Nachrichtenübertragung möglich.
Nach Fig. 4 weist der Sender eine Signalspannungsquelle USig mit einem Innenwiderstand Rs auf und speist über die Koppelkapazitäten Cκo und Bodenkapazitäten CB ein hochfrequentes Signal SIG kapazitiv in den Körper eines Benutzers ein. Von diesem kann es mittels kapazitiver Kopplung an den Empfänger EMP übertragen werden.
Der Sender SEN und der Empfänger EMP stellen eine Verbindung miteinander über eigene Felder der Koppelkapazitäten Cκo und Körper-Streufelder (dargestellt über die Netzwerke CK und Rk, bzw. Cm und Rm ) her. Bei Frequenzen höher als einige MHz (1-5 MHz) wird der Einfluss des Körperwiderstandes Rk durch immer stärkere elektrische Streufelder zurückgedrängt (die dem Wert von Ck entsprechende Impedanz wird immer kleiner und daher wird der Einfluss von Rk geringer) . Somit ist die Erzeugung eines außerhalb des Körpers KOR vorhandenen Streufelds FEL mit der Erregung eines hochfrequenten Signals durch den Sender verbunden. Unter einem hochfrequenten Signal wird hierbei ein Signal mit einer Frequenz von über 1 MHz bzw. einigen MHz verstanden. Günstigerweise liegt die Frequenz, um die Übertragung zu optimieren, bei zumindest 5 MHz.
Durch die Körperoberfläche wird die Einflusszone des Streufeldes noch entsprechend vergrößert.
Wie bereits oben erwähnt sind Sender und Empfänger kapazitiv an die Umgebung gekoppelt, sodass der Stromkreis zwischen dem Sender und dem Empfänger über die Umgebung geschlossen ist.
Die Umgebung kann durch das in Fig. 5 gezeigte Ersatzschaltbild dargestellt werden, welches einer elektrischen Leitung mit einem Widerstand Rιe entspricht.
Das erfindungsgemäße Nachrichtenübertragungssystem kann natürlich für die unterschiedlichsten Anwendungen verwendet werden und ist nicht die hier dargestellten Anwendungen beschränkt. So kann das erfindungsgemäße Überwachungssystem zur Erzeugung eines Verlustalarms bei Verlust eines Gegenstandes oder auch zur Personenüberwachung eingesetzt werden. Es versteht sich von selbst, dass das erfindungsgemäße Nachrichtenübertragungssystem, für beliebige weitere Anwendungen eingesetzt werden kann.