WO2021197735A1 - Akustisches übertragungssystem, primärschaltung, sekundärschaltung, verfahren zum übertragen und verwendung eines akustischen übertragungssystems - Google Patents

Akustisches übertragungssystem, primärschaltung, sekundärschaltung, verfahren zum übertragen und verwendung eines akustischen übertragungssystems Download PDF

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WO2021197735A1
WO2021197735A1 PCT/EP2021/055037 EP2021055037W WO2021197735A1 WO 2021197735 A1 WO2021197735 A1 WO 2021197735A1 EP 2021055037 W EP2021055037 W EP 2021055037W WO 2021197735 A1 WO2021197735 A1 WO 2021197735A1
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transmission system
secondary side
acoustic transmission
primary side
acoustic
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Michael Gebhart
Renate Walter
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Tdk Electronics Ag
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    • H04B5/40—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems characterised by components specially adapted for near-field transmission
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/73—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for taking measurements, e.g. using sensing coils

Definitions

  • Acoustic transmission system primary circuit, secondary circuit, method of transmitting and using an acoustic transmission system
  • the invention relates to the transmission of energy and / or information across a hermetic and / or galvanic barrier.
  • the invention relates to the associated transmission system that works with acoustic waves, the primary circuit for this, the secondary circuit for this, methods for transmitting information and / or energy across the barrier and the use of a corresponding acoustic transmission system.
  • the problem is the acquisition and control of processes that are difficult to grasp for conventional measurement technology. These include examples from industry, aviation, shipping and other areas in which the space to be measured, which determines the corresponding parameters to be measured, is delimited by a barrier. Pressure vessels or generally closed structures can be used as barriers. Those barriers that are hermetically sealed and / or non-transparent for electromagnetic waves are particularly problematic.
  • the transmission system has a transmitting unit, a receiving unit and an electroacoustic transducer on a primary side.
  • the transmission unit is intended and suitable for providing a transmission signal.
  • the receiving unit is provided and suitable for receiving a received signal in response to the transmitted signal.
  • the electroacoustic converter is intended and suitable for converting the transmission signal into an acoustic signal and an acoustic signal into a reception signal.
  • the transmission system has a transponder and an electroacoustic transducer on a secondary side. The transponder is intended and suitable for receiving a reception signal and for sending a transmission signal.
  • the electroacoustic transducer on the secondary side can come into acoustic contact with the electroacoustic transducer on the primary side. Furthermore, the acoustic transmission system has a medium between the primary side and the secondary side which is permeable to acoustic signals.
  • the medium represents the barrier that has to be overcome if information is to be exchanged between the sides of the barrier.
  • the barrier can be nontransparent for electromagnetic waves and hermetically separate from one another inside and outside.
  • Each of the two electroacoustic transducers of the transmission system can be a piezoelectric transducer.
  • a piezoelectric transducer can include a piezoelectric element and electrode structures. By means of the piezoelectric effect, the piezoelectric element converts between electrical and acoustic alternating signals.
  • Transducers that work with longitudinal acoustic waves usually have a sandwich structure in which the piezoelectric material is arranged between a lower and an upper electrode. Together with a corresponding acoustic termination, the corresponding electroacoustic transducer can work as an electroacoustic resonator.
  • the transmission system prefferably includes a sensor on the secondary side.
  • the sensor can be a temperature sensor, pressure sensor, humidity sensor, gas sensor, light sensor, pulse counter, microphone or a sensor of a similar type.
  • the transmission system prefferably comprises a logic circuit on the secondary side.
  • the logic circuit can be connected to the sensor, control and read out the sensor and, if necessary, provide the necessary bias voltages for the sensor.
  • the logic circuit can detect the sensor signal.
  • the sensor signal is usually an analog sensor signal.
  • the logic circuit can comprise an A / D converter and / or amplify the strength of the output signal of the sensor.
  • the secondary side of the transmission system can comprise a modulator.
  • a signal can be coded by means of the modulator in such a way that the secondary side informs the primary side, for example, of corresponding sensor measured values.
  • the modulation can be an amplitude modulation, a frequency modulation, a phase modulation or a complex modulation that combines different of the above-mentioned forms of modulation. Switching an amplitude on or off for the response to the primary side is a special form of amplitude modulation.
  • the secondary side accordingly has a modulator for modulating the electrical load on the secondary-side electroacoustic transducer.
  • the modulation of the electrical load on the secondary-side electroacoustic transducer represents a preferred embodiment, since this can be implemented as a particularly energy-saving circuit.
  • An electrical load is connected to the secondary-side electroacoustic transducer, the impedance of which can be varied by the modulator. If the secondary side, ie the electroacoustic resonator on the secondary side, receives acoustic waves from the primary side that have crossed the barrier, the electroacoustic transducer on the secondary side converts the acoustic signals into electrical signals. These electrical signals are applied to the electrical load on the secondary side.
  • the system of the secondary-side electroacoustic transducer and the connected electrical load of adjustable impedance provides a reflection element for acoustic waves the reflection coefficient of which is adjustable by adjusting the electrical load. Modulation of the electrical load on the secondary-side electroacoustic resonator thus modulates the reflection factor for the acoustic waves. On the primary side, acoustic waves modulated according to the modulation of the reflection factor can then be received and evaluated accordingly.
  • the modulation of the electrical load to modulate the reflection factor does not require any special excitation of waves on the secondary side of the transmission system, so that the corresponding energy consumption for communication with the primary side is minimal on the secondary side.
  • the energy consumption on the secondary side can even be so low that the energy that transports the acoustic waves from the primary side to the secondary side is sufficient to supply the secondary-side circuit elements with energy. Electrical energy can easily be obtained by the electroacoustic converter from the acoustic energy from the primary side.
  • the transmission system it is possible for the transmission system to have a rectifier on the secondary side, which provides the corresponding output currents and output voltages at the secondary-side electroacoustic converter - possibly with capacitors for smoothing - as secondary-side DC voltage.
  • the rectifier is connected between the electroacoustic converter and the modulator.
  • the rectifier it is possible for the rectifier to be connected directly to the modulator.
  • Arranging the modulator e.g. in the form of a MOSFET transistor - directly behind the rectifier, in contrast to the circuits of US Pat is reduced to 0 volts because there is a small voltage drop across the rectifier.
  • This remaining voltage of the carrier frequency which can be of the order of magnitude of 100 mV, for example, can be used by the secondary-side circuit in order to receive a clock signal on the secondary-side circuit even in this time segment of the communication.
  • the transmission system comprises a transistor, the base of which is connected to a connection for the load modulation.
  • the transistor is the MOSFET mentioned above.
  • the transmission system includes a rectifier, e.g. B. the rectifier mentioned above, between an electroacoustic transducer and the transistor. This makes it possible that when the transistor is short-circuited, the voltage at the electroacoustic transducer does not become zero during the load modulation.
  • a rectifier e.g. B. the rectifier mentioned above
  • the transmission system can include an intermediate energy store on the secondary side.
  • the intermediate energy store can comprise a capacitor and / or an accumulator.
  • the buffer can store energy that is necessary for less frequent measurement processes. For example, measurement processes that use an arc between two electrodes are possible. According to the energy transmitted from the primary side, which is available for measurements on the secondary side, and the frequency with which measurements are to be made on the secondary side, the energy available per measurement process is essentially specified.
  • the transponder is intended and suitable for using the clock of the receiving system as the system clock.
  • the receiving system receives the beat of the acoustic waves that the primary side transmits to the secondary side via the barrier.
  • the secondary side does not need its own oscillator as a clock generator for digital circuits. This in turn can save energy that is available for measurement processes.
  • the secondary side is free of an oscillator for the return communication.
  • the secondary side is free of an oscillator as a clock generator at all, since also for other circuit components on the secondary side the clock of the signal received from the primary side can be used.
  • Transmission system on the secondary side comprises an electrical impedance matching network.
  • the electrical impedance matching network serves to match the electrical impedance between the output impedance of the electroacoustic transducer on the secondary side and the other circuit components on the secondary side.
  • the impedance matching network can include suitably connected capacitive, inductive and resistive circuit elements.
  • the transmission system prefferably includes a frequency reducer on the secondary side.
  • Circuits that convert a signal with an input frequency into an output signal with an output frequency that differs from the frequency of the input signal can be used as frequency reducers.
  • Back communication with the primary side can essentially be based on the reduced frequency as the carrier frequency.
  • the response signal can thus be easily separated from the primary signal and evaluated by means of a frequency separator.
  • a frequency reducer is used in particular
  • Frequency halver or a cascade of frequency halvers in Question For example, a sequence of one, two, three or four frequency halves results in halving, quartering,
  • the crossover on the primary side can separate the response from the secondary side even if the intensity of the response is greatly weakened.
  • the transmission system on the secondary side comprises a circuit unit with a transformer and a parallel circuit with an inductive element, a capacitive element and a logic circuit.
  • the inductive element and the capacitive element can bring about an electrical impedance matching, possibly in connection with the transformer.
  • the logic circuit is used to control the sensor and, if necessary, to modulate the signal for the response to the primary side.
  • the transmission system on the secondary side comprises a logic circuit front-end circuit which has a port, a supply connection, four circuit nodes A, B, C, D and an operational amplifier and seven transistors.
  • circuit components can represent the circuit components of an integrated circuit as a version of a transponder circuit for load modulation, with one of the transistors in particular causing the actual load modulation. It is possible for acoustic impedance matching and / or electrical impedance matching to take place on the primary side and / or on the secondary side and for the associated means to be provided for this purpose.
  • both the primary side and the secondary side have electrical impedance matching. Accordingly, it is also advantageous if both the primary side and the secondary side have acoustic impedance matching.
  • Electrical impedance adjustments can be carried out using the usual electrical circuit networks with active or passive circuit elements such as capacitive elements, inductive elements or resistive elements. Acoustic impedance adaptations are possible through additional layers with adapted acoustic impedance.
  • an additional layer can be arranged between the primary-side electroacoustic transducer and the material of the barrier or between the material of the barrier and the secondary-side electroacoustic transducer.
  • the corresponding electroacoustic transducers are by means of a
  • Adhesion-promoting layer for example a suitable adhesive, with mechanically connected to the barrier, the
  • Adhesion-promoting layer has a suitable acoustic impedance or the thinnest possible layer thickness.
  • the primary side prefferably has a crossover network in accordance with the above.
  • the crossover can serve to decouple a response from the secondary side on the primary side from the primary carrier signal and evaluate it undisturbed by the strength of the primary signal.
  • the crossover network can preferably comprise a diplexer or a duplexer.
  • the secondary side does not have a frequency reducer but a frequency booster, e.g. one or more frequency doublers, the primary side can also decouple and evaluate signals with frequencies above the frequency of the primary signal.
  • the primary side of the transmission system prefferably provided and suitable for continuously supplying the secondary side with energy.
  • the energy is preferably transmitted through the barrier in the form of acoustic energy and converted into electrical energy on the secondary side, e.g. by means of the electroacoustic converter.
  • the communication only takes place unidirectionally from the secondary side to the primary side.
  • the primary side only transfers energy to the secondary side.
  • the primary side can then transmit information to the secondary side.
  • the secondary side can receive and evaluate the information.
  • the secondary side can transmit information to the primary side and the primary side can evaluate the received information.
  • the transmission system has a matching network on the primary side and the matching network comprises two signal lines, a balanced signal input, an unbalanced signal output, a supply connection, three inductive elements and 6 capacitive elements.
  • the matching network can receive information from an external circuit environment via the balanced signal input. Via the unbalanced output, the matching network on the primary side can forward information received accordingly to the external circuit environment.
  • the "inner” (secondary) side during transmission system also comprises means for recording and transmission of audio-visual perception (for example, Z can Audioauf calibratable voltage, image recording, video recording, images and tone-on calibration voltage Z - so be included, for example, a "classic" video camera).
  • audio-visual perception for example, Z can Audioauf calibratable voltage, image recording, video recording, images and tone-on calibration voltage Z - so be included, for example, a "classic" video camera).
  • the data recorded in the interior - e.g. B. sound, image, video, sound-image-video - can subsequently be transmitted "outside", i.e. to the primary side, in the form of digital data as useful data in the transmission system described via acoustic waves.
  • Mono or stereo can be selected for audio.
  • any type of transmission that is generally customary for such can be chosen.
  • a mechanism is essential which transmits the beginning of a new image or the beginning of a new image line (when scanning in points and lines) to the primary side in order to ensure that the transmitted image etc. can be successfully displayed place.
  • 3 values or data vectors red, green, blue
  • This information must be well adapted to the data frame sizes provided in the hardware.
  • the hardware supports e.g. 64-byte data frames, which on the one hand can be filled with processed image data, and on the other hand, these data frames can be passed on to the outside via the medium between the secondary side and the primary side.
  • the circuit of the primary side can be designed as a removable or transportable module or contain a removable module.
  • the module can have an NFC antenna and / or a piezoelectric transducer element.
  • an NFC interface e.g. of a cell phone, can be used to control or operate the application on the secondary side via acoustic waves.
  • the transmission system can contain an additional air interface or can easily be expanded to include an additional air interface.
  • the transmission system can thus also be operated by a "relay” consisting of a transceiver of any wireless standard (e.g. Bluetooth) and a piezoelectric transducer element, as well as an energy store (battery or rechargeable accumulator) and electronics, suitable for converting the data between the various standards, be expanded or expandable.
  • a primary circuit for example a primary circuit of a transmission system, can comprise the elements of the primary side as described above.
  • a secondary circuit can comprise elements on the secondary side of the transmission system as described above.
  • a method for transmission by means of an acoustic transmission system can comprise the following steps:
  • the communication can further contain steps for identifying the secondary part.
  • the identification can be based on a measured value. It is also possible for the identification to be carried out by others, e.g. B. additional information is used.
  • the identification system can also comprise several secondary parts.
  • the primary side can continuously emit a sinusoidal signal at or near the carrier frequency.
  • the secondary side can use the sinusoidal signal to continuously draw electrical power and to maintain operation from a volatile storage system. It is also possible that the primary side modulates this continuous sinusoidal signal sporadically to transmit commands and / or values for identification.
  • the secondary side can usually continuously apply a certain load impedance to the converter. The load impedance is then sporadically modulated for the purpose of data transmission.
  • the change in the (electrical) load on the secondary-side piezo transducer can cause a change in the (electrical) impedance on the primary-side piezo transducer, so that the modulation of the secondary side is recognizable on the primary side.
  • the primary side can generate a continuous sinusoidal signal for the load modulation, which allows the change in the connection impedance on the primary-side piezo transducer to be constantly determined or measured.
  • the primary-side signal source is a current source.
  • the change in an electrical load resistance at the power source will then lead to a change in the voltage applied to the load resistance.
  • This voltage can be measured by the reader (ie from the primary side that reads in acoustic response S signals from the secondary side for evaluation) and evaluated (the modulation and channel coding of the data in it).
  • the primary side and the secondary side prefferably be hermetically and / or separated by a barrier that is impervious to electromagnetic signals. It is possible that acoustic waves penetrate a barrier between the primary side and the secondary side and transmit information and / or energy.
  • communication between the primary side and the secondary side and / or between the secondary side and the primary side may be encrypted point-to-point.
  • the communication uses a cryptographic method.
  • encryption differs from procedures for determining transmission errors.
  • the data transmission itself can, however, also have built in the possibility of recognizing transmission errors.
  • a mechanism using parity bits and / or the possibility of recognizing and / or correcting individual transmission errors in a data frame e.g. B. by the mechanism of a cyclic redundancy check, CRC, z. B. CRC16 or CRC32.
  • Encryption of data and / or error protection and / or error detection represent different aspects and are possible individually or in combination.
  • the communication it is possible for the communication to be unidirectional or bidirectional.
  • full duplex e.g. frequency duplex, FDD
  • half duplex e.g. time duplex, TDD
  • the information is transmitted by means of modulation and the modulation is selected from load modulation, amplitude modulation, phase modulation, frequency modulation and a complex modulation with a mixed form of two or more of the above-mentioned modulations.
  • Information transfer method uses error detection or correction methods.
  • data packets for example data frames (frames)
  • frames are sent from the primary side to the secondary side as required and answered by the secondary side - correspondingly only as required.
  • CRC cyclic redundancy check
  • the Cyclic Redundancy Check can be a CRC16 check or CRC32 check according to the ISO / IEC14443-3_2011 standard.
  • the last 2x8 bits or 4x8 bits belong to the check.
  • acoustic waves that traverse the massive barrier are used for communication at least through the barrier. It is possible that the communication is controlled by the primary side. This can also be described as the “primary side talks first” principle.
  • a primary side communicates with more than one secondary side. So it is possible that beyond the barrier several sensors each have their own energy and information reception and transmission systems and communicate with a primary side.
  • acoustic signals with frequencies in the range between 1 MHz and 50 MHz are used for communication.
  • Preferred frequencies result from the geometry and the materials used for the barrier and the corresponding acoustic impedances of the materials used.
  • barrier thicknesses of 4 mm and a barrier material made of metal with a density of 7890 kg / m ⁇ and a speed of sound of 5970 m / s frequencies of 9.4 MHz, 9.9 to 10.1 MHz and 10.7 MHz are sufficient for successful communication.
  • frequency bands with narrow but sufficiently wide usable frequency ranges result from resonances that are determined by the thickness of the metal plate.
  • a frequency band with a relatively wide usable frequency range results from a resonance which is caused by the dimensions of the acoustic transducer of the primary side, e.g. B. the thickness of the piezo disc is determined.
  • the type of attachment of the piezo disc e.g. B. the gluing is included here.
  • This broader frequency range can be used in an advantageous manner because a certain bandwidth is required to transmit the modulation signal of the reader and narrower bandwidths distort signals to a greater extent.
  • the wider pass band also allows a shift in the resonance frequencies with the temperature, and thus variations in production, to be tolerated even without special countermeasures. That is a cost advantage.
  • the thickness of an adhesive, especially the average thickness, between the electroacoustic transducer and the barrier can be around 10 ⁇ m thick.
  • the electroacoustic transducers can have a length of 205 pm as seen in the direction of propagation of the acoustic waves.
  • the thickness of the adhesive is preferably distributed as homogeneously as possible over the adhesive surface.
  • the transmission channel is sufficiently stable so that inhomogeneities can be tolerated. In fact, it can even be seen that there are places where the piezo disc touches the acoustic medium directly.
  • the thinner the adhesive layer the lower the acoustic losses.
  • the transducer directly on the material of the medium - e.g. B. by pressing - to be attached.
  • the electroacoustic communication covers a frequency range around the NFC frequency 13.56 MHz, e.g. B. the frequency range 13.56 MHz ⁇ 0.5 MHz, uses.
  • the elements of the acoustic channel between the primary side and the secondary side are adapted to the frequency range 13.56 MHz ⁇ 0.5 MHz.
  • the elements of the acoustic channel can in particular include the electroacoustic transducers, adhesive layers and the medium.
  • the method for communication includes a regular variation of carrier frequencies and / or amplitudes in order to compensate, for example, a change in environmental parameters, e.g. temperature, expansion, pressure, etc., or manufacturing tolerances.
  • the primary side informs the secondary side about varied advantageous frequencies.
  • the frequency can vary based on received digital data that the primary side receives from the secondary side.
  • the secondary side first correctly receives a command from the primary side.
  • the secondary side can then inform the primary side about “good” or “bad” frequencies.
  • the division into "good” and “bad” frequencies can be based on the bit error rate.
  • a corresponding acoustic transmission system can be used to query one or more measured values in a volume that is hermetically sealed from the primary side and / or separated by a non-transparent barrier.
  • the system can be used to measure temperature, gas pressure and / or humidity.
  • the system can be used in a high-voltage capacitor for galvanically isolated transmission to the outside.
  • An error detection mechanism or a corresponding error detection method can determine an error rate during one or, e.g. B. one after the other, several transmission parameters can be varied. A combination of parameters with an error rate below one predetermined threshold can then be used as a parameter combination for the actual work of the system.
  • the secondary side Detects transmission errors in the command sent by the primary side.
  • the secondary side transmits this information back to the reader via the acoustic channel. This can recognize favorable values, save them locally, e.g. as a table, and use them as a setting if necessary.
  • the primary side has this information, since it preferably controls the communication process and can specify values for the carrier frequency and other parameters.
  • data e.g. B. in Manchester coding
  • data can be modulated onto a subcarrier and then the subcarrier in the channel can be modulated onto the carrier frequency in a second step.
  • the primary side always receives the information from the secondary side at the same time and in parallel in four frequency bands, which are, however, fixed relative to the carrier.
  • Figure 1 is an overview of important element of the transmission S ystem
  • Figure 2 possible circuit elements on the primary side and on the secondary side
  • Figure 3 is a more detailed view of the acoustic channel
  • FIG. 4 shows a spectrum with advantageous frequencies
  • FIG. 5 shows the time course of the amplitude of a signal and its response
  • FIG. 6 shows a model of the acoustics of the acoustic signal
  • FIG. 7 shows a possible transponder front-end circuit
  • FIGS. 9 and 10 possibilities for contactless communication between an external circuit environment and the primary side.
  • FIG. 1 shows a barrier B which separates a volume V on the secondary side S2 from the primary side S1. If the volume V on the secondary side S2 is hermetically separated and the barrier B is nontransparent for electromagnetic and possibly magnetic signals, then the usual communication paths between the primary side and the secondary side fail if a sensor for measuring a parameter is present on the secondary side and its signal is on the Primary side S1 is to be evaluated.
  • the transmission system has an electroacoustic transducer EAW on the primary side S1 and a second electroacoustic transducer EAW on the secondary side S2.
  • Both electroacoustic transducers EAW are directly connected to the medium M of the barrier B, e.g. by means of an adhesive. Sound waves that are emitted by the electroacoustic transducer EAW on the primary side S1 in the direction of the medium M can be received on the secondary side by the secondary electroacoustic transducer EAW.
  • the ability of the electroacoustic transducer to convert between electrical signals and acoustic signals means that electrical signals can be used on both sides of the barrier B and acoustic signals can only be used to transport information across the barrier B.
  • the transmission of acoustic signals also enables energy to be transmitted at the same time, so that the secondary side S2 can be supplied with energy from the primary side S1.
  • a transmitting unit SE and a receiving unit EE are located on the primary side S1.
  • a transponder TP is arranged on the secondary side.
  • the transponder TP is used for communication with the primary side S1 and serves as an interface between the electroacoustic transducer EAW on the secondary side and a logic circuit LC on the secondary side.
  • the logic circuit LC on the secondary side can be used to control a sensor and to process the sensor signal.
  • FIG. 2 shows a possible form of a primary-side circuit which combines elements of the transmitting unit SE and the receiving unit EE.
  • the transmission unit SE has a first signal line SL1 and a second signal line SL2.
  • the first signal line SL1 connects a first transmission connection TX1 to an electrode of the electroacoustic transducer.
  • the second signal line SL2 connects the second transmission connection TX2 to the second electrode of the electroacoustic transducer.
  • the first transmission connection TX1 and the second transmission connection TX2 represent the two connections of a balanced transmission signal port of the primary-side circuit.
  • the first and the second signal line each comprise a series connection of an inductive element and a capacitive element.
  • the inductive element is connected between the input connection and a node A or B, respectively.
  • the capacitive element is connected between node A or between node B and the electrode of the electroacoustic transducer. Furthermore, an inductive element connects the two electrodes of the electroacoustic transducer.
  • the node B is connected to ground via a capacitive element.
  • the node A is also connected to ground via a capacitive element. Furthermore, the node A is connected to an unbalanced receiving connection RX via a series connection of a resistive element and a capacitive element. Between one
  • a resistive element is connected to the supply connection SUP and the receiving connection RX.
  • the supply connection is connected to ground via a further capacitive element.
  • the electroacoustic converter On the secondary side, the electroacoustic converter is connected to a transformer with two magnetically coupled inductive elements.
  • the inductive element of the transformer which is not connected directly to the electroacoustic transducer on the secondary side, is connected to a Connected in parallel from an inductive element, a capacitive element and the logic circuit LC.
  • An input signal can be received by the transmission unit SE from an external circuit environment via the two connections TX1, TX2.
  • the signal is transmitted to the primary-side electroacoustic transducer via the signal conductors SL1, SL2.
  • Corresponding acoustic waves reach the electroacoustic transducer on the secondary side and are converted by it into an electrical signal on the secondary side. This is transformed to suitable voltage and current values by means of the secondary transformer and reaches the logic circuit LC. In this way, the primary side can control the activity of the secondary side.
  • a possible response signal is transmitted from the unit comprising the secondary-side converter and transponder TP back to the primary side S1 and can be forwarded to the external circuit environment via the output port RX.
  • the primary-side circuit is suitable for supplying the secondary-side circuit with energy, e.g. by means of a continuously transmitted, essentially sinusoidal signal of the carrier frequency, so that there is no need for additional energy storage devices on the secondary side, which would otherwise have to be replaced regularly.
  • Figure 3 shows the elements of the acoustic channel.
  • the material of the barrier B which serves as a medium for the propagation of the acoustic waves between the transducers, is arranged between the two electroacoustic transducers EAW.
  • Each transducer is connected to the medium M via an acoustic impedance matching element AIA.
  • the acoustic Impedance matching element AIA can be an adhesive with a suitable acoustic impedance.
  • FIG. 4 shows a frequency spectrum in which the signal strength of the response is plotted on the secondary side as a function of the frequency for various transmission ratios in the transformer.
  • VK represents a critical signal strength for the strength of the received signal, from which a reliable evaluation of the received signal is possible. It has been shown that working frequencies of 9.4 MHz, 10 MHz and 10.9 MHz are suitable for both transmission ratios 1: 5 and 1: 7 in the transformer for the material combination used.
  • FIG. 5 shows a possible amplitude profile in the communication from primary side to secondary side and the corresponding response from the secondary side.
  • the primary side uses six wave packets which are transmitted to the secondary side. After a certain waiting time (frame delay time), the secondary side responds with specific signals that are dependent on the determined parameter value.
  • FIG. 6 shows an analytical model of the acoustic signal, with the aid of which the signal transmission can be reproduced can.
  • EAW primary acoustic wave
  • Impedance matching element medium of the barrier, secondary acoustic impedance matching element
  • Z complex impedance
  • Y admittance
  • FIG. 7 shows a possible embodiment of a transducer (i.e. transponder) front-end circuit which can be used on the secondary side between the electroacoustic transducer and the secondary-side logic circuit.
  • a transducer i.e. transponder
  • the transistors TI, T2, T3, T4, T5, T6 therein form a rectifier.
  • the circuit has a first input connection A1 and a second input connection A2 to receive the sinusoidal alternating signal of the carrier frequency of approx. 10 MHz, and an output connection SUP to supply a logic circuit with electrical power in the form of direct voltage and direct current.
  • the circuit has four circuit nodes A, B, C, D.
  • a capacitance between the connections A1 and A2 represents the unavoidable parasitic capacitance of the MOS transistors, and possibly a capacitive element.
  • the two transistors T3 and T4 represent switches which are controlled to be conductive or non-conductive by the voltage at their gate connection (relative to the voltage at their source or drain connection).
  • the transistors TI and T2 as well as the transistors T6 and T7 are called MOS diodes operated (gate connection is connected to the drain connection), ie its function is that of a diode.
  • the construct results in a rectifier which generates a DC voltage at circuit nodes A and B, or also at A and D, where A represents the reference or the ground connection with 0 volts, and at B and D one opposite A higher tension develops.
  • a so-called voltage limiter is implemented.
  • This consists of the operational amplifier and the transistor T5.
  • the operational amplifier compares the DC supply voltage at point C, which is derived by a voltage divider comprising resistors RI and R2 of the voltage at point B, with a constant S pannungsreferenz V_REF, for example, a bandgap reference. This forms a control loop. If the input AC voltage between A1 and A2 increases, the output voltage of the operational amplifier changes in such a way that the transistor T5 conducts a little more current, ie its impedance between source and drain, which is applied to points A and D, becomes a little lower . This keeps the voltage at point B constant compared to the reference (GND) at point A.
  • a constant supply voltage is essential for the supply of the following logic circuit, which has a time-variable current requirement during operation.
  • the change in the impedance of the transistor T5 also has an effect on the impedance which is present between the input connections A1 and A2. Essentially, the voltage between Al and A2 is also kept constant, even if the input current in Al changes, eg becomes larger. That is synonymous with the input impedance between the points A1 and A2 changes, depending on the regulation of the transistor T5.
  • a further transistor T8 can be used for this purpose, the drain and source of which is parallel to T5.
  • the gate of T8 can now be modulated with a control voltage which contains the data to be transmitted in the form of a channel coding (e.g. Manchester coding) on a subcarrier frequency.
  • the subcarrier frequency can, for example, be a frequency which is produced by dividing the alternating carrier frequency voltage between points A1 and A2, for example by dividing it by a factor of 16 or a factor of 32.
  • This subcarrier frequency can again be controlled by a data stream, e.g. in Manchester coding.
  • FIG. 8 shows usable signals in time and frequency domains which result from one another through corresponding transformations.
  • the upper part of the figure shows chronological progressions.
  • the lower part shows the associated frequency components.
  • the uppermost curve shows useful data bits for a certain period of time, specifically a zero, a one and the transition between them.
  • the course of an associated channel coding is given in the following line.
  • the third line shows the course of the associated subcarrier over time.
  • the fourth line shows the subcarrier modulated by means of the channel coding.
  • the carrier with load modulation is shown in the last line of the upper part of FIG. 8.
  • the first line of the lower part of FIG. 8 shows the channel coding in the frequency domain.
  • the second line of the lower part of FIG. 8 shows the modulated subcarrier in the frequency domain.
  • the third line of the lower part of FIG. 8 shows the load modulation on the carrier represent.
  • FIG. 9 shows the elements of one form of the
  • NFC Near Field Communication
  • the primary side can contactlessly via an appropriate control device, e.g. B. a portable communication terminal such as a mobile phone with appropriate control software can be controlled.
  • the module on the primary side has a printed circuit board with the corresponding electronic circuit components and an antenna.
  • the antenna can be formed directly as a metallization in the circuit board or on the circuit board.
  • This contactless connection of the primary side can take place as the only connection, or in addition to a connection via another connection, such as a cable.
  • the contactless connection can practically be used to store the ID number of individual primary pages in a system Consists of several primary pages to be assigned to a position in the system.
  • FIG. 10 shows a variation in which the module on the primary side is controlled via a further module.
  • the further module can be connected to an external logic circuit, e.g. B. be connected to a bus system of a computer.
  • the further module then also contains the control elements for contactless communication with the primary-side module.
  • AIA acoustic impedance matching element
  • barrier EAW electroacoustic transducer
  • V hermetically sealed volume A, B, C, D: respective circuit nodes
  • VK critical output voltage
  • TX1, TX2 Send connection
  • V_MOD modulated voltage
  • V_REF constant voltage reference

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Abstract

Es wird ein akustisches Übertragungssystem angegeben, mit dem Informationen mit einem Volumen ausgetauscht werden können das hermetisch und/oder durch eine Barriere abgetrennt ist, die intransparent für elektromagnetische Wellen ist. Das Übertragungssystem hat eine Primärseite mit einer Sendeeinheit, einer Empfangseinheit und einem elektroakustischen Wandler. Die Sekundärseite hat einen Transponder und einen elektroakustischen Wandler und ein Medium zwischen Primär- und Sekundärseite ist für akustische Signale durchlässig.

Description

Beschreibung
Akustisches Übertragungssystem, Primärschaltung, Sekundärschaltung, Verfahren zum Übertragen und Verwendung eines akustischen Übertragungssystems
Die Erfindung betrifft das Übertragen von Energie und/oder Informationen über eine hermetische und/oder galvanische Barriere hinweg. Insbesondere betrifft die Erfindung das dazugehörige Übertragungssystem, das mit akustischen Wellen arbeitet, die Primärschaltung dazu, die Sekundärschaltung dazu, Verfahren zum Übertragen von Informationen und/oder Energie über die Barriere hinweg und die Verwendung eines entsprechenden akustischen Übertragungssystems.
Es existiert ein Bedarf, industrielle Prozesse erfassen und steuern zu können. Problematisch ist das Erfassen und Steuern von Prozessen, die für konventionelle Messtechnik schwer erfassbar sind. Dazu gehören Beispiele aus der Industrie, der Luftfahrt, der Schifffahrt und anderen Gebieten, bei denen der zu messende Raum, der die entsprechenden zu messenden Parameter bestimmt, durch eine Barriere abgegrenzt ist. Als Barrieren kommen Druckgefäße oder allgemein abgeschlossene Strukturen in Frage. Besonders problematisch sind solche Barrieren, die hermetisch dicht sind und/oder intransparent für elektromagnetische Wellen sind.
Speziell problematisch sind Barrieren, in die kein Loch gebohrt werden kann oder soll durch das ein Messfühler in den zu messenden Raum eingebracht werden kann.
Es ist bekannt, dass akustische Wellen entsprechende Barrieren durchqueren können. Z.B. aus dem Patent US 5,594,705 sind elektroakustische Wandler bekannt. Entsprechende Übertragungsanordnungen sind beispielsweise im Übersichtsartikel von Ding-Xin Yang, Zheng Hu, Hong Zhao, Hai-Feng Hu, Yun-Zhe Sun and Bao-Jian Hou: „Through-Metal- Wall Power Delivery and Data Transmission for Enclosed Sensors: A Review" in Sensors 2015, 15, 31581-31605, https://www.ncbi .nlm.nih.gov/pme/articles/PMC4721790/ beschrieben. Aus dem Beitrag "State-of-the-Art Developments of Acoustic Energy Transfer" (Md Rabiul Awal, Muzammil Jusoh, Thennarasan Sabapathy, Muhammad Ramlee Kamarudin, and Rosemizi Abd Rahim; International Journal of Antennas and Propagation, Volume 2016, Article ID 3072528, Hindawi Publishing Corporation, https://www.researchgate .net/publication/307893860_State-of- the-Art_Developments_of_Acoustic_Energy_Transf er) ist die Verwendung von akustischen Wellen zur Energieübertragung bekannt. Aus dem Patent DE 102007038419 B4 ist beispielsweise ein Sensorsystem innerhalb eines metallischen Gehäuses bekannt, welches von außen mittels Ultraschall mit Energie versorgt werden kann und die Sensordaten ebenfalls mittels Ultraschall übermittelt werden können.
Es besteht somit der Wunsch zu verbesserten
Übertragungssystemen, die entsprechende Barrieren überwinden können, ohne die Funktionsfähigkeit der Barriere zu beeinflussen.
Dazu wird ein akustisches Übertragungssystem gemäß dem unabhängigen Anspruch angegeben. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Systems sowie vorteilhafte Primärschaltungen, Sekundärschaltungen und Verfahren zum Übertragen sowie vorteilhafte Verwendungen des Übertragungssystems an. Das Übertragungssystem hat auf einer Primärseite eine Sendeeinheit, eine Empfangseinheit und einen elektroakustischen Wandler. Die Sendeeinheit ist dafür vorgesehen und geeignet, ein Sendesignal bereitzustellen. Die Empfangseinheit ist dafür vorgesehen und geeignet, ein Empfangssignal als Antwort auf das Sendesignal zu empfangen. Der elektroakustische Wandler ist dafür vorgesehen und geeignet, das Sendesignal in ein akustisches Signal und ein akustisches Signal in ein Empfangssignal zu wandeln. Ferner hat das Übertragungssystem auf einer Sekundärseite einen Transponder und einen elektroakustischen Wandler. Der Transponder ist dafür vorgesehen und geeignet, ein Empfangssignal zu empfangen und ein Sendesignal zu senden.
Der elektroakustische Wandler der Sekundärseite kann dabei in akustischen Kontakt mit dem elektroakustischen Wandler der Primärseite treten. Ferner hat das akustische Übertragungssystem ein Medium zwischen der Primärseite und der Sekundärseite das für akustische Signale durchlässig ist.
Im Wesentlichen stellt das Medium die Barriere dar, die es zu überwinden gilt, wenn Informationen zwischen den Seiten der Barriere ausgetauscht werden sollen. Die Barriere kann dabei intransparent für elektromagnetische Wellen sein und außen und innen hermetisch voneinander trennen. Jeder der beiden elektroakustischen Wandler des Übertragungssystems kann ein piezoelektrischer Wandler sein. Ein piezoelektrischer Wandler kann ein piezoelektrisches Element und Elektrodenstrukturen umfassen. Mittels des piezoelektrischen Effekts wandelt das piezoelektrische Element zwischen elektrischen und akustischen Wechselsignalen. Wandler, die mit longitudinalen akustischen Wellen arbeiten, haben üblicherweise einen Sandwichaufbau, bei dem das piezoelektrische Material zwischen einer unteren und einer oberen Elektrode angeordnet ist. Zusammen mit einem entsprechenden akustischen Abschluss kann der entsprechende elektroakustische Wandler als elektroakustischer Resonator arbeiten.
Es ist möglich, dass das Übertragungssystem auf der Sekundärseite einen Sensor umfasst.
Der Sensor kann dabei ein Temperatursensor, Drucksensor, Feuchtigkeitssensor, Gassensor, Lichtsensor, Impulszähler, Mikrofon oder ein Sensor von einem ähnlichen Typ sein. Insbesondere kann der Sensor ein MEMS-Sensor (MEMS = micro electromechanical System = mikroelektromechanisches System) sein. Solche Sensoren sind kostengünstig in großer Anzahl herzustellen, weisen gute elektrische Eigenschaften und ein gutes Signal-zu-Noise Verhältnis auf und haben einen geringen Energieverbrauch .
Es ist möglich, dass das Übertragungssystem auf der Sekundärseite eine Logikschaltung umfasst.
Die Logikschaltung kann mit dem Sensor verschaltet sein, den Sensor ansteuern und auslesen und gegebenenfalls notwendige Vorspannungen für den Sensor zur Verfügung stellen. Die Logikschaltung kann dabei das Sensorsignal erfassen. Das Sensorsignal ist üblicherweise ein analoges Sensorsignal. Entsprechend - falls ein digitales Ausgangssignal gewünscht ist - kann die Logikschaltung einen A/D Wandler umfassen und/oder die Stärke des Ausgangssignals des Sensors verstärken.
Zur Kommunikation mit der Primärseite kann die Sekundärseite des Übertragungssystems einen Modulator umfassen. Der Modulator kann beispielsweise einen MOSFET umfassen (MOSFET = metal oxid semiconductor field effect transistor). Mittels des Modulators kann ein Signal so kodiert werden, dass die Sekundärseite die Primärseite z.B. über entsprechende Sensormesswerte informiert.
Die Modulation kann dabei eine Amplitudenmodulation, eine Frequenzmodulation, eine Phasenmodulation oder eine komplexe Modulation, die unterschiedliche der oben genannten Modulationsformen kombiniert sein. Ein Ein- bzw. Ausschalten einer Amplitude für die Rückantwort zur Primärseite ist dabei eine Spezialform der Amplitudenmodulation.
Es ist möglich, dass die Sekundärseite entsprechend einen Modulator zum Modulieren der elektrischen Last am sekundärseitigen elektroakustischen Wandler aufweist.
Das Modulieren der elektrischen Last am sekundärseitigen elektroakustischen Wandler stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, da diese als besonders energiesparende Schaltung realisierbar ist. An den sekundärseitigen elektroakustischen Wandler ist dabei eine elektrische Last angeschlossen, deren Impedanz durch den Modulator variierbar ist. Empfängt die Sekundärseite, d.h. der elektroakustische Resonator auf der Sekundärseite akustische Wellen von der Primärseite, die die Barriere durchquert haben, so wandelt der elektroakustische Wandler auf der Sekundärseite die akustischen Signale in elektrische Signale um. Die elektrische Last auf der Sekundärseite wird mit diesen elektrischen Signalen beaufschlagt. Das System aus sekundärseitigem elektroakustischem Wandler und der daran angeschlossenen elektrischen Last einstellbarer Impedanz stellt dabei ein Reflektionselement für akustische Wellen dar, dessen Reflektionskoeffizient durch Einstellen der elektrischen Last einstellbar ist. Somit bewirkt eine Modulation der elektrischen Last am sekundärseitigen elektroakustischen Resonator eine Modulation des Reflektionsfaktors für die akustischen Wellen. Auf der Primärseite können dann entsprechend der Modulation des Reflektionsfaktors modulierte akustische Wellen empfangen und entsprechend ausgewertet werden.
Das Modulieren der elektrischen Last zum Modulieren des Reflektionsfaktors braucht dazu keine spezielle Anregung von Wellen auf der Sekundärseite des Übertragungssystems, sodass auf der Sekundärseite der entsprechende Energieverbrauch für die Kommunikation mit der Primärseite minimal ist.
Der Energieverbrauch auf der Sekundärseite kann dabei sogar so gering sein, dass Energie, die die akustischen Wellen von der Primärseite zur Sekundärseite transportiert, genügt, um die sekundärseitigen Schaltungselemente mit Energie zu versorgen. Elektrische Energie kann dabei leicht durch den elektroakustischen Wandler aus der akustischen Energie von der Primärseite gewonnen werden.
Dazu ist es möglich, dass das Übertragungssystem auf der Sekundärseite einen Gleichrichter aufweist, der entsprechende Ausgangsströme und Ausgangsspannungen am sekundärseitigen elektroakustischen Wandler - gegebenenfalls mit Kondensatoren zur Glättung - als sekundärseitige Gleichspannung zur Verfügung stellt.
Es ist möglich, dass der Gleichrichter zwischen dem elektroakustischen Wandler und dem Modulator verschaltet ist. Alternativ dazu oder zusätzlich ist es möglich, dass der Gleichrichter direkt mit dem Modulator verschaltet ist.
Ein Anordnen des Modulators, z.B. in Form eines MOSFET Transistors - direkt hinter dem Gleichrichter, im Gegensatz zu den Schaltungen der US 5,594,705, hat den Vorteil, dass eine eintreffende Trägerfrequenz von der Primärseite vom z.B. digital geschalteten Modulator, z.B. Transistor, während der Lastmodulation nicht auf 0 Volt reduziert wird, weil sich am Gleichrichter ein geringer Spannungsabfall ergibt. Diese verbleibende Spannung der Trägerfrequenz, die z.B. in der Größenordnung von 100 mV liegen kann, kann von der sekundärseitigen Schaltung genutzt werden, um ein Taktsignal auf der sekundärseitigen Schaltung auch in diesem Zeitabschnitt der Kommunikation zu erhalten.
Es ist möglich, dass das Übertragungssystem einen Transistor umfasst, dessen Basis mit einem Anschluss für die Lastmodulation verschaltet ist.
Es ist möglich, dass der Transistor der oben genannte MOSFET ist.
Es ist möglich, dass das Übertragungssystem einen Gleichrichter, z. B. den oben genannten Gleichrichter, zwischen einem elektroakustischen Wandler und dem Transistor umfasst. Dadurch ist es möglich, dass bei Kurzschließen des Transistors die Spannung am elektroakustischen Wandler bei der Lastmodulation nicht Null wird.
Es ist dadurch auch während der Modulation möglich, den Takt auf der Sekundärseite von einer eintreffenden akustischen Welle mit der Trägerfrequenz Primärseite abzuleiten. Es ist möglich, dass das Übertragungssystem auf der Sekundärseite einen Zwischenenergiespeicher umfasst. Der Zwischenenergiespeicher kann einen Kondensator und/oder einen Akkumulator umfassen. Der Zwischenspeicher kann dabei Energie speichern, die für weniger häufige Messprozesse notwendig ist. So sind beispielsweise Messprozesse, die einen Lichtbogen zwischen zwei Elektroden verwenden, möglich. Entsprechend der von der Primärseite übermittelten Energie, die zu Messungen auf der Sekundärseite zur Verfügung steht und der Frequenz, mit der auf der Sekundärseite gemessen werden soll, ist im Wesentlichen die verfügbare Energie pro Messvorgang vorgegeben.
Es ist möglich, dass der Transponder dazu vorgesehen und geeignet ist, den Takt des Empfangssystems als Systemtakt zu verwenden. Das Empfangssystem empfängt dabei den Takt der akustischen Wellen, die die Primärseite über die Barriere an die Sekundärseite übermittelt.
Im Gegensatz zu konventionellen
Informationsübertragungssystemen benötigt die Sekundärseite somit keinen eigenen Oszillator als Taktgeber für digitale Schaltungen. Dadurch kann wiederum Energie eingespart werden, die für Messprozesse zur Verfügung steht.
Entsprechend ist es möglich, dass die Sekundärseite frei von einem Oszillator für die Rückkommunikation ist.
Ferner ist es sogar möglich, dass die Sekundärseite frei von einem Oszillator als Taktgeber überhaupt ist, da auch für übrige Schaltungskomponenten auf der Sekundärseite der Takt des von der Primärseite empfangenen Signals verwendbar ist.
Es ist möglich, dass das
Übertragungssystem auf der Sekundärseite ein elektrisches Impedanzanpassnetzwerk umfasst.
Das elektrische Impendanzanpassnetzwerk dient dabei zur Anpassung der elektrischen Impedanz zwischen der Ausgangsimpedanz des elektroakustischen Wandlers auf der Sekundärseite und den weiteren Schaltungskomponenten auf der Sekundärseite .
Das Impedanzanpassnetzwerk kann dabei geeignet verschaltete kapazitive, induktive und resistive Schaltungselemente umfassen.
Es ist möglich, dass das Übertragungssystem auf der Sekundärseite einen Frequenzverminderer umfasst.
Als Frequenzminderer kommen Schaltungen in Frage, die ein Signal mit einer Eingangsfrequenz in einem Ausgangssignal mit einer Ausgangsfrequenz, die sich von der Frequenz des Eingangssignals unterscheidet, wandelt.
Rückkommunikation mit der Primärseite kann dabei im Wesentlichen auf der verminderten Frequenz als Trägerfrequenz basieren. Auf der Primärseite kann somit mittels einer Frequenzweiche das Antwortsignal leicht vom Primärsignal separiert und ausgewertet werden.
Als Frequenzverminderer kommt insbesondere ein
Frequenzhalbierer oder eine Kaskade von Frequenzhalbierern in Frage. Z.B. ergeben eine Abfolge von eins, zwei, drei, bzw. vier Frequenzhalbierern eine Halbierung, Viertelung,
Achtelung bzw. Sechzehntelung der Frequenz des Trägersignals von der Primärseite. Ist die verminderte Frequenz hinreichend von der primären Frequenz verschieden, so kann die Frequenzweiche auf der Primärseite selbst bei einer starken Abschwächung der Intensität der Antwort von der Sekundärseite separieren.
Es ist möglich, dass das Übertragungssystem auf der Sekundärseite eine Schaltungseinheit mit einem Transformator und einer Parallelschaltung mit einem induktiven Element, einem kapazitiven Element und einer Logikschaltung umfasst.
Das induktive Element und das kapazitive Element können dabei eine elektrische Impedanzanpassung, gegebenenfalls in Verbindung mit dem Transformator, bewirken.
Die Logikschaltung dient zur Ansteuerung des Sensors und gegebenenfalls zur Modulation des Signals für die Rückantwort an die Primärseite.
Es ist möglich, dass das Übertragungssystem auf der Sekundärseite eine Logikschaltungs-Frontendschaltung umfasst, die einen Port, einem Versorgungsanschluss, vier Schaltungsknoten A, B, C, D und einen Operationsverstärker sowie sieben Transistoren aufweist.
Diese Schaltungskomponenten können dabei die Schaltungskomponenten einer integrierten Schaltung als Version einer Transponderschaltung für die Lastmodulation darstellen, wobei insbesondere einer der Transistoren die eigentliche Lastmodulation bewirkt. Es möglich, dass auf der Primärseite und/oder auf der Sekundärseite eine akustische Impedanzanpassung und/oder eine elektrische Impedanzanpassung stattfindet und die zugehörigen Mittel dazu vorgesehen sind.
Insbesondere ist es möglich, dass nur auf der Primärseite nur eine elektrische Impedanzanpassung stattfindet. Ferner ist es möglich, dass nur auf der Sekundärseite nur eine elektrische Impedanzanpassung stattfindet. Ferner ist es möglich, dass nur auf der Primärseite bzw. nur auf der Sekundärseite eine akustische Impedanzanpassung stattfindet.
Allerdings ist es auch möglich und vorteilhaft, wenn sowohl die Primärseite als auch die Sekundärseite eine elektrische Impedanzanpassung aufweist. Entsprechend ist es auch vorteilhaft, wenn sowohl die Primärseite als auch die Sekundärseite eine akustische Impedanzanpassung aufweist.
Elektrische Impedanzanpassungen können über die dazu üblichen elektrischen Schaltungsnetzwerke mit aktiven oder passiven Schaltungselementen wie z.B. kapazitiven Elementen, induktiven Elementen oder resistiven Elementen durchgeführt werden. Akustische Impedanzanpassungen sind möglich durch zusätzliche Schichten mit angepasster akustischer Impedanz.
So kann beispielsweise eine zusätzliche Schicht zwischen dem primärseitigen elektroakustischem Wandler und dem Material der Barriere bzw. zwischen dem Material der Barriere und dem sekundärseitigen elektroakustischem Wandler angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die entsprechenden elektroakustischen Wandler mittels einer
Haftvermittlungsschicht, z.B. eines geeigneten Klebers, mit der Barriere mechanisch verbunden, wobei die
Haftvermittlungsschicht eine geeignete akustische Impedanz, bzw. eine möglichst dünne Schichtdicke aufweist.
Ferner ist es möglich, dass die Primärseite entsprechend dem oben genannten eine Frequenzweiche aufweist.
Die Frequenzweiche kann dabei dazu dienen, eine Rückantwort von der Sekundärseite auf der Seite der Primärseite von dem primären Trägersignal abzukoppeln und ungestört von der Stärke des primären Signals auszuwerten.
Die Frequenzweiche kann dabei vorzugsweise einen Diplexer oder einen Duplexer umfassen. Für den ebenfalls möglichen Fall, dass die Sekundärseite nicht einen Frequenzverminderer, sondern einen Frequenzerhöher aufweist, z.B. einen oder mehrere Frequenzverdoppler, kann die Primärseite auch Signale mit Frequenzen oberhalb der Frequenz des Primärsignals auskoppeln und auswerten.
Es ist ferner möglich, dass bei dem Übertragungssystem die Primärseite dazu vorgesehen und geeignet ist, die Sekundärseite kontinuierlich mit Energie zu versorgen. Die Energie wird dabei bevorzugt in Form von akustischer Energie durch die Barriere übertragen und auf der Sekundärseite, z.B. mittels des elektroakustischen Wandlers in elektrische Energie umgewandelt.
Es ist möglich, dass die Kommunikation nur unidirektional von der Sekundärseite zur Primärseite stattfindet. Dabei überträgt die Primärseite nur Energie zur Sekundärseite. Allerdings ist es vorteilhaft, wenn das Übertragungssystem zur bidirektionalen Kommunikation vorgesehen und geeignet ist. Dann kann die Primärseite Informationen an die Sekundärseite übermitteln. Die Sekundärseite kann die Informationen empfangen und auswerten. Ferner kann die Sekundärseite Informationen an die Primärseite übermitteln und die Primärseite kann die empfangenen Informationen auswerten.
Ferner ist es möglich, dass das Übertragungssystem auf der Primärseite ein Anpassnetzwerk aufweist und das Anpassnetzwerk zwei Signalleitungen, einem balanced geführten Signaleingang, einem unbalanced geführten Signalausgang, einem Versorgungsanschluss, drei induktiven Elementen und 6 kapazitiven Elementen umfasst.
Über den balanced geführten Signaleingang kann das Anpassnetzwerk dabei Informationen von einer externen Schaltungsumgebung empfangen. Über den unbalanced geführten Ausgang kann das Anpassnetzwerk der Primärseite entsprechend empfangene Informationen an die externe Schaltungsumgebung weiterleiten.
Bei balanced geführten Signalleitungen gibt es zwei Leiterelemente, die das gleiche Signal mit entgegengesetzter Amplitude übertragen. Balanced geführte Signalleitungen sind relativ unempfindlich gegenüber GleichtaktStörungen.
Als Anwendung an der „inneren" (Sekundär-) Seite beim Übertragungssystem können auch Mittel zur Aufzeichnung und Übertragung audiovisueller Wahrnehmung (beispielsweise AudioaufZeichnung, Bildaufzeichnung, Videoaufzeichnung, Bild- und-Ton-AufZeichnung - also z.B. eine „klassische" Videokamera) enthalten sein.
Diese können mit Hilfe der "geharvesteten" Energie (aus dem eingebrachten Signal der Primärseite, z.B. einem Ultraschallsignal, wie auch bereits für die anderen Sensoren beschrieben betrieben werden.
Die im Innenraum aufgenommen Daten - also z. B. Ton, Bild, Video, Ton-Bild-Video - können in weiterer Folge in Form digitaler Daten als Nutzdaten im beschriebenen Übertragungssystem über akustische Wellen wieder nach „außen", d.h. zur Primärseite, übertragen werden.
Grundsätzlich kann in monochrom, Graustufen oder Farbbild übertragen werden.
Für Audio kann Mono- oder Stereo gewählt sein.
Mit anderen Worten es kann jegliche Art von Übertragung gewählt werden, die allgemein für Derartiges üblich ist.
Insgesamt ist nur durch die Bandbreite und Übertragungsrate begrenzt, was man in concreto auswählt.
Wesentlich ist insbesondere bei der Übertragung eines Bildes oder Bewegtbildes jedoch ein Mechanismus, welcher den Beginn eines neuen Bildes bzw. den Beginn einer neuen Bildzeile (bei Abtastung in Punkten und Zeilen) zur Primärseite überträgt, um eine erfolgreiche Darstellbarkeit des übertragenen Bildes etc. sicher zu stellen. Als weitere Komplexität können für ein Farbbild je Bildpunkt üblicherweise 3 Werte bzw. Datenvektoren übertragen (rot, grün, blau) werden. Diese Informationen müssen gut an die in der Hardware vorgesehenen Datenrahmen-größen angepasst sein.
Es ist speziell möglich, dass die Hardware z.B. 64 Bytes große Datenrahmen unterstützt, die einerseits mit aufbereiteten Bilddaten befüllt werden können, und diese Datenrahmen andererseits über das Medium zwischen der Sekundärseite und der Primärseite nach außen weiterzugeben.
Die Schaltung der Primärseite kann als ein abnehmbares bzw. transportables Modul ausgestaltet sein oder ein abnehmbares Modul enthalten. Das Modul kann eine NFC-Antenne und/oder ein piezoelektrisches Wandlerelement aufweisen.
Auf diese Weise kann eine NFC-Schnittstelle, z.B. eines Mobiltelefons genutzt werden, um über akustische Wellen die Anwendung auf der Sekundärseite zu steuern bzw. zu betreiben.
Das bedeutet, das Übertragungssystem kann eine weitere Luftschnittstelle enthalten oder ist leicht um eine weitere Luftschnittstelle erweiterbar.
Das Übertragungssystem kann somit auch durch ein „Relais" bestehend aus einem Transceiver eines beliebigen Wireless- Standards (z.B. Bluetooth) und einem piezoelektrischen Wandlerelement, sowie einem Energiespeicher (Batterie oder wiederaufladbarer Akkumulator) und Elektronik, geeignet zur Umsetzung der Daten zwischen den verschiedenen Standards, erweitert oder erweiterbar sein. Eine Primärschaltung, z.B. eine Primärschaltung eines Übertragungssystems, kann die Elemente der Primärseite wie oben beschrieben umfassen. Entsprechend kann eine Sekundärschaltung Elemente auf der Sekundärseite des Übertragungssystems wie oben beschrieben umfassen.
Ein Verfahren zum Übertragen mittels eines akustischen Übertragungssystems kann folgende Schritte umfassen:
- Senden, mittels einer Sendeeinheit auf einer Primärseite, eines Trägersignals zu einer Empfangseinheit auf einer Sekundärseite;
- Empfangen des Trägersignals durch die Empfangseinheit;
- Erzeugen eines AntwortSignals auf der Basis eines Messwerts;
- Übermitteln des AntwortSignals an die Primärseite.
Es ist ferner möglich, dass die Kommunikation weiterhin Schritte der Identifikation des Sekundärteils enthält. Die Identifikation kann auf einem Messwert basieren. Es ist auch möglich, dass die Identifikation andere, z. B. zusätzliche, Informationen verwendet. Das System zur Identifizierung kann auch mehrere Sekundärteile umfassen.
Dazu ist es möglich, dass die Primärseite kontinuierlich ein Sinussignal bei oder nahe bei der Trägerfrequenz abgibt. Dass Sinussignal kann der Sekundärseite dazu dienen, kontinuierlich elektrische Leistung zu beziehen und den Betrieb aus einem volatilen Speicher heraus aufrecht zu erhalten. Ferner ist es möglich dass die Primärseite dieses kontinuierliche Sinussignal sporadisch zur Übertragung von Kommandos und/oder Werten zur Identifikation moduliert. Die Sekundärseite hingegen kann in der Regel kontinuierlich eine gewisse Last-Impedanz an den Wandler stellen. Die Last- Impedanz wird dann sporadisch zum Zweck der Datenübertragung moduliert.
Die Änderung der (elektrischen) Last am sekundärseitigen Piezo-Wandler kann eine Änderung der (elektrischen) Impedanz am primärseitigen Piezowandler verursachen, sodass die Modulation der Sekundärseite an der Primärseite erkennbar wird.
Vorteilhaft ist, diese Modulation an der Sekundärseite auch so auszuführen, dass (sekundärseitig) dennoch kontinuierlich elektrische Leistung aus dem Träger-Sinussignal generiert von der Primärseite gewonnen werden kann.
Die Primärseite kann ein kontinuierliches Sinussignal für die Lastmodulation generieren, welches es erlaubt, die Änderung der Anschlussimpedanz am primärseitigen Piezowandler auch ständig feststellen bzw. messen zu können.
Es ist möglich, dass die primärseitige Signalquelle eine Stromquelle ist. Die Änderung eines elektrischen Lastwiderstandes an der Stromquelle wird dann zu einer Änderung der am Lastwiderstand anliegenden Spannung führen. Diese Spannung kann vom Reader (d.h. von der Primärseite, die akustische AntwortSignale von der Sekundärseite zum Auswerten einliest) gemessen und (die Modulation und Kanalcodierung der Daten darin) ausgewertet werden.
Es ist möglich, dass die Primärseite und die Sekundärseite hermetisch und/oder durch eine für elektromagnetische Signale undurchdringliche Barriere getrennt sind. Es ist möglich, dass akustische Wellen eine Barriere zwischen der Primärseite und der Sekundärseite durchdringen und Informationen und/oder Energie übertragen.
Ferner ist es möglich, dass eine Kommunikation zwischen Primärseite und Sekundärseite und/oder zwischen Sekundärseite und Primärseite Punkt-zu-Punkt verschlüsselt ist.
Als Verschlüsselungsmethoden kommen dabei übliche Verschlüsselungsmethoden in Frage. Dadurch ist eine Punkt-zu- Punkt Verschlüsselung möglich. Dies kann auf jeden Fall als zusätzliches Sicherheitsmerkmal implementiert sein.
Es ist dabei möglich, dass die Kommunikation ein kryptographisches Verfahren nutzt.
Dies erlaubt, dass damit der Inhalt der Kommunikation einer dritten Seite nicht zugänglich ist und/oder durch eine dritte Seite nicht gezielt veränderbar ist. Damit unterscheidet sich die Verschlüsselung von Verfahren zur Ermittlung von Übertragungsfehlern .
Die Datenübertragung an sich kann jedoch ferner die Möglichkeit der Erkennung von Übertragungsfehlern eingebaut haben. Z. B. durch einen Mechanismus unter Verwendung von Paritätsbits und/oder der Möglichkeit der Erkennung und/oder Korrektur einzelner Übertragungsfehler in einem Datenrahmen, z. B. durch den Mechanismus eines cyclic redundancy checks, CRC, z. B. CRC16 oder CRC32. Eine Verschlüsselung von Daten und/oder Fehlerschutz und/oder Fehlererkennung stellen unterschiedliche Aspekte und sind einzeln oder in Kombination möglich.
Es ist möglich, dass die Kommunikation in einer oder beide Richtungen über digitale Signale stattfindet.
Es ist möglich, dass die Kommunikation unidirektional oder bidirektional stattfindet.
Im Fall bidirektionaler Kommunikation kann diese gleichzeitig (Vollduplex, z. B. Frequenzduplex, FDD), und/oder zeitlich nacheinander mit definierten Zeiten ohne Kommunikation dazwischen (Halbduplex, z.B. Zeitduplex, TDD) stattfinden.
Es ist möglich, dass die Informationen mittels Modulation übertragen werden und die Modulation ausgewählt ist aus Lastmodulation, Amplitudenmodulation, Phasenmodulation, Frequenzmodulation und einer komplexe Modulation mit einem Mischform der von zwei oder mehr der oben genannten Modulationen.
Insbesondere ist es bei der Modulation möglich, für die Datenflussrichtung von der Primärseite zur Sekundärseite gilt.
Es ist möglich, dass als Modulation jede einzelne Modulation der Abschnitten 8 und 9 der Norm ISO/IEC14443-2_2010 (d.h. der Norm ISO/IEC14443-2 in der Form von 2010) in Frage kommt.
Ferner ist es möglich, dass das
Informationsübertragungsverfahren Fehlererkennungs- oder Fehlerkorrekturmethoden verwendet. Speziell ist es möglich, dass dabei Datenpakete, z.B. Datenrahmen (frames) vom von der Primärseite zur Sekundärseite nach Bedarf geschickt werden und von der Sekundärseite - entsprechend auch bloß bedarfsgerecht - beantwortet werden.
Es ist dabei möglich, dass zeitlich zwischen solchen asynchronen Datenrahmen nur die nicht modulierte Trägerfrequenz von der Primärseite zur Sekundärseite gesendet wird, d.h. dass die Zeit dazwischen frei von Datenrahmen bleibt.
Ferner ist es möglich, dass zwischen 8 bit Nutzdaten ein Parity-Bit gemäß der Norm ISO/IEC14443-3_2011 (d.h. der Norm ISO/IEC14443-2 in der Form von 2011) gesendet wird.
Ferner ist es möglich, dass die Übertragung einen Cyclic Redundancy Check (CRC) Mechanismus verwendet.
Der Cyclic Redundancy Check (CRC) kann ein CRC16 Check oder CRC32 Check gemäß der Norm ISO/IEC14443-3_2011 sein. Dabei gehören die letzten 2x8 bits bzw. 4x8 bits zu dem Check.
Es ist möglich, dass auf der Sekundärseite Energie zwischengespeichert wird, die die Sekundärseite von der Primärseite empfangen hat.
Es ist möglich, dass zur Kommunikation zumindest durch die Barriere akustische Wellen verwendet werden, die die massive Barriere durchqueren. Es ist möglich, dass die Kommunikation durch die Primärseite gesteuert wird. Dies kann auch als Prinzip „primary side talks first" beschrieben werden.
Es ist möglich, dass eine Primärseite mit mehr als einer Sekundärseite kommuniziert. So ist es möglich, dass jenseits der Barriere mehrere Sensoren jeweils eigene Energie und Informationsempfangs- und Übertragungssysteme haben und mit einer Primärseite kommunizieren.
Dazu ist es möglich, dass das Verfahren Anti-Kollisions- Methoden anwendet, um Signalüberschneidungen der verschiedenen Sekundärseiten zu vermeiden.
Es ist möglich, dass für Kommunikation akustische Signale mit Frequenzen im Bereich zwischen 1 MHz und 50 MHz verwendet werden.
Bevorzugte Frequenzen ergeben sich aus der Geometrie und den verwendeten Materialien der Barriere und den entsprechenden akustischen Impedanzen der verwendeten Materialien.
Es hat sich gezeigt, dass Barrieredicken in Höhe von 4 mm und ein Barrierematerial aus Metall mit einer Dichte von 7890 kg/m^ und einer Schallgeschwindigkeit von 5970 m/s Frequenzen in Höhe von 9,4 MHz, 9,9 bis 10,1 MHz und 10,7 MHz für eine erfolgreiche Kommunikation hinreichend sind.
Im Prinzip ergeben sich einerseits Frequenzbänder mit schmalen aber hinreichend breiten nutzbaren Frequenzbereichen aus Resonanzen, die durch die Dicke der Metallplatte bestimmt sind. Andererseits ergibt sich ein Frequenzband mit einem relativ breiten nutzbaren Frequenzbereich aus einer Resonanz, die durch die Dimensionen des akustischen Wandlers der Primärseite, z. B. der Dicke der Piezoscheibe bestimmt ist.
Auch die Art der Befestigung der Piezoscheibe, z. B. der Klebung, geht hier ein.
Dieser breitere Frequenzbereich ist in vorteilhafter Weise nutzbar, weil zur Übertragung des Modulationssignales des Readers eine gewisse Bandbreite benötigt wird und schmalere Bandbreite Signale stärker verzerren. Der breitere Durchlassbereich erlaubt außerdem, eine Verschiebung der Resonanzfrequenzen mit der Temperatur, und dadurch Streuungen in der Produktion, auch ohne besondere Gegenmaßnahmen zu tolerieren. Das ist ein Kostenvorteil.
Die Dicke eines Klebers, speziell die durchschnittliche Dicke, zwischen elektroakustischem Wandler und Barriere kann etwa 10 pm dick sein. Die elektroakustischen Wandler können in Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen gesehen eine Länge von 205 pm haben.
Vorzugsweise ist die Dicke des Klebers über die Klebefläche möglichst homogen verteilt. Allerdings zeigt sich der Übertragungskanal hinreichend stabil, so dass Inhomogenitäten tolerierbar sind. Tatsächlich zeigt sich sogar, dass es Stellen geben darf, an denen die Piezoscheibe das akustische Medium direkt berührt.
Ferner gilt: je dünner die Klebeschicht ist, desto geringer sind akustische Verluste. Somit ist es auch möglich und sogar vorteilhaft, den Wandler direkt auf dem Material des Mediums - z. B. durch anpressen - anzubringen.
Es ist ferner möglich und vorteilhaft, dass die elektroakustische Kommunikation einen Frequenzbereich um die NFC-Frequenz 13,56 MHz, z. B. den Frequenzbereich 13,56 MHz ± 0,5 MHz, nutzt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Elemente des akustischen Kanals zwischen der Primärseite und der Sekundärseite an den Frequenzbereich 13,56 MHz ± 0,5 MHz angepasst sind.
Dabei können die Elemente des akustischen Kanals insbesondere die elektroakustischen Wandler, Klebeschichten und das Medium umfassen.
Es ist möglich, dass das Verfahren zur Kommunikation ein regelmäßiges Variieren von Trägerfrequenzen und/oder Amplituden beinhaltet, um beispielsweise ein Verändern von Umgebungsparameter, z.B. Temperatur, Ausdehnung, Druck, usw., oder Fertigungstoleranzen zu kompensieren. Insbesondere ist es möglich, dass die Primärseite die Sekundärseite über variierte vorteilhafte Frequenzen informiert.
Es ist dabei möglich, dass sich das Variieren von Frequenzen an empfangenen digitalen Daten, die die Primärseite von der Sekundärseite empfängt, orientiert.
Dabei empfängt die Sekundärseite zuerst korrekt ein Kommando von der Primärseite. Die Sekundärseite kann dann anschließend die Primärseite über „gute" oder „schlechte" Frequenzen informieren.
Die Einteilung in "gute" und "schlechte" Frequenzen kann dabei auf der Bitfehlerrate basiert.
Dies ist vorteilhaft, da dann für die Einteilung in "gute" und "schlechte" Frequenzen keine zusätzlichen analogen Schaltungselemente benötigt werden und insbesondere auch keine Bewertung der Amplitudenhöhe notwendig ist.
Ein entsprechendes akustisches Übertragungssystem kann Verwendung zum Abfragen eines oder mehrerer Messwerte in einem von der Primärseite hermetisch und/oder durch eine intransparente Barriere getrenntem Volumen Verwendung finden.
Das System kann zur Messung von Temperatur, Gasdruck und/oder Feuchtigkeit verwendet werden.
Speziell kann das System in einem Hochspannungskondensator für eine galvanisch getrennte Übertragung nach außen verwendet werden.
Es ist ferner möglich, einen Fehlererkennungsmechanismus im Übertragungssystem zu verwenden, um gut geeignete Trägerfrequenzen, Amplituden und/oder Einstellungen einer Modulation zu finden.
Dabei kann ein Fehlererkennungsmechanismus oder ein entsprechendes Fehlererkennungsverfahren eine Fehlerrate ermitteln, während einer oder, z. B. nacheinander, mehrere Übertragungsparameter variiert werden. Eine Parameterkombination mit einer Fehlerrate unterhalb einer vorgegebenen Schwelle kann dann als Parameterkombination für die eigentliche Arbeit des Systems verwendet werden.
Es ist dabei möglich, dass die Sekundärseite
Übertragungsfehler im Kommando erkennt, das die Primärseite ausgesendet hat. Die Sekundärseite überträgt diese Information über den akustischen Kanal zurück zum Reader. Dieser kann günstige Werte erkennen, lokal z.B. als Tabelle speichern, und bei Bedarf als Einstellung nutzen.
Natürlich ist es auch möglich, Fehler in der übertragenen Information der Sekundärseite zu erkennen und darauf zu reagieren.
Wichtig ist, dass die Primärseite diese Informationen hat, da vorzugsweise sie den Ablauf der Kommunikation steuert und Werte für die Trägerfrequenz und andere Parameter vorgeben kann.
Das wäre auch zum kontinuierlichen Überwachen der Kommunikation möglich, z. B. zum dynamisch Prüfen, ob inzwischen andere Parameter noch vorteilhafter sind.
Es ist möglich, dass in einem akustischen Übertragungssystem vier oder mehr akustische Frequenzbereiche genutzt werden, in denen die gleiche Information übertragen wird.
Dadurch ist die Störsicherheit (z.B. bei Beeinflussung durch Geräusche im Metall oder bei Beeinflussung durch ausgeprägte Resonanzen im Metall, welche statistisch eher nur in einem Frequenzbereich auftreten) verbessert. Dies ist z. B. durch die Verwendung einer Lastmodulation mit Hilfsträger gegeben.
Dabei ist es möglich, dass bei der Lastmodulation ein zweistufiges Modulationsverfahren zum Einsatz kommt.
In einem ersten Schritt können dabei Daten, z. B. in Manchester-Codierung, auf einen Hilfsträger aufmoduliert werden und dann kann der Hilfsträger im Kanal in einem zweiten Schritt auf die Trägerfrequenz aufmoduliert werden.
Ferner ist es möglich, dass die Primärseite die Information der Sekundärseite immer zur gleichen Zeit und parallel in vier Frequenzbändern erhält, die relativ zum Träger aber festgelegt sind.
Dadurch ist es möglich, die Information also gleichzeitig immer in vier Frequenzbereichen übertragen werden.
Zentrale Aspekte der beschriebenen Vorrichtungen auf der Primärseite, auf der Sekundärseite und des entsprechenden Systems sowie von Betriebsverfahren sowie Details bevorzugter Ausführungsformen sind in den schematischen Figuren näher erläutert.
In den Figuren zeigt:
Figur 1 eine Übersicht über wichtige Element des ÜbertragungsSystems,
Figur 2 mögliche Schaltungselemente auf der Primärseite und auf der Sekundärseite, Figur 3 eine detailliertere Ansicht des akustischen Kanals,
Figur 4 ein Spektrum mit vorteilhaften Frequenzen,
Figur 5 den zeitlichen Verlauf der Amplitude eines Signals und seiner Antwort,
Figur 6 ein Modell der Akustik des akustischen Signals,
Figur 7 eine mögliche Transponder-Frontendschaltung,
Figur 8 Zeit-Bereiche und zugehörige Frequenzbereiche,
Figuren 9 und 10 Möglichkeiten zur kontaktlosen Kommunikation zwischen einer externen Schaltungsumgebung und der Primärseite.
Figur 1 zeigt eine Barriere B, die ein Volumen V auf der Sekundärseite S2 von der Primärseite S1 abtrennt. Ist das Volumen V auf der Sekundärseite S2 hermetisch abgetrennt und die Barriere B intransparent für elektromagnetische und gegebenenfalls magnetische Signale, dann versagen übliche Kommunikationswege zwischen der Primärseite und der Sekundärseite, wenn auf der Sekundärseite ein Sensor zum Messen eines Parameters vorhanden ist und sein Signal auf der Primärseite S1 ausgewertet werden soll.
Allerdings ist es möglich, das Material der Barriere B als Medium M für akustische Wellen zu verwenden, um Informationen zwischen der Primärseite S1 und der Sekundärseite S2 auszutauschen . Das Übertragungssystem hat dazu einen elektroakustischen Wandler EAW auf der Primärseite S1 und einen zweiten elektroakustischen Wandler EAW auf der Sekundärseite S2.
Beide elektroakustische Wandler EAW sind - z.B. mittels eines Klebers - mit dem Medium M der Barriere B direkt verbunden. Schallwellen, die vom elektroakustischen Wandler EAW auf der Primärseite S1 in Richtung des Mediums M emittiert werden, können auf der Sekundärseite vom sekundärseitigen elektroakustischen Wandler EAW empfangen werden. Durch die Möglichkeit der elektroakustischen Wandler, zwischen elektrischen Signalen und akustischen Signalen zu wandeln, ergibt sich somit die Möglichkeit elektrische Signale auf beiden Seiten der Barriere B zu verwenden und lediglich für den Informationstransport über die Barriere B hinweg akustische Signale zu verwenden. Das Übermitteln akustischer Signale ermöglicht auch gleichzeitig das Übermitteln von Energie, sodass die Sekundärseite S2 von der Primärseite S1 mit Energie versorgbar ist.
Auf der Primärseite S1 sind eine Sendeeinheit SE und eine Empfangseinheit EE. Auf der Sekundärseite ist ein Transponder TP angeordnet. Der Transponder TP dient zur Kommunikation mit der Primärseite S1 und dient als Interface zwischen dem elektroakustischen Wandler EAW auf der Sekundärseite und einem Logikschaltkreis LC auf der Sekundärseite. Der Logikschaltkreis LC auf der Sekundärseite kann dabei verwendet werden, einen Sensor anzusteuern und das Sensorsignal aufzubereiten.
Figur 2 zeigt eine mögliche Form einer primärseitigen Schaltung die Elemente der Sendeeinheit SE und der Empfangseinheit EE kombiniert. So hat die Sendeeinheit SE eine erste Signalleitung SL1 und eine zweite Signalleitung SL2. Die erste Signalleitung SL1 verbindet einen ersten Sendeanschluss TX1 mit einer Elektrode des elektroakustischen Wandlers. Die zweite Signalleitung SL2 verbindet den zweiten Sendeanschluss TX2 mit der zweiten Elektrode des elektroakustischen Wandlers. Der erste Sendeanschluss TX1 und der zweite Sendeanschluss TX2 stellen die beiden Anschlüsse eines balanced geführten Sendesignalports der primärseitigen Schaltung dar. Die erste und die zweite Signalleitung umfassen jeweils eine Serienverschaltung aus einem induktiven Element und einem kapazitiven Element. Das induktive Element ist dabei jeweils zwischen dem Eingangsanschluss und einem Knoten A bzw. B verschaltet. Das kapazitive Element ist zwischen dem Knoten A bzw. zwischen dem Knoten B und der Elektrode des elektroakustischen Wandlers verschaltet. Ferner verschaltet ein induktives Element die beiden Elektroden des elektroakustischen Wandlers.
Der Knoten B ist über ein kapazitives Element mit Masse verbunden. Der Knoten A ist ebenfalls über ein kapazitives Element mit Masse verbunden. Ferner ist der Knoten A über eine Serienverschaltung aus einem resistiven Element und einem kapazitiven Element mit einem unbalanced geführten Empfangsanschluss RX verbunden. Zwischen einem
Versorgungsanschluss SUP und dem Empfangsanschluss RX ist ein resistives Element verschaltet. Der Versorgungsanschluss ist über ein weiteres kapazitives Element mit Masse verschaltet.
Auf der Sekundärseite ist der elektroakustische Wandler mit einem Transformator mit zwei magnetisch gekoppelten induktiven Elementen verschaltet. Das induktive Element des Transformators, das nicht direkt mit dem elektroakustischen Wandler auf der Sekundärseite verschaltet ist, ist mit einer Parallelschaltung aus einem induktiven Element, einem kapazitiven Element und der Logikschaltung LC verschaltet.
Ein Eingangssignal kann von der Sendeeinheit SE von einer externen Schaltungsumgebung über die beiden Anschlüsse TX1, TX2 empfangen werden. Das Signal wird über die Signalleiter SL1, SL2 an den primärseitigen elektroakustischen Wandler übermittelt. Entsprechende akustische Wellen erreichen den sekundärseitigen elektroakustischen Wandler und werden von diesem in ein sekundärseitiges elektrisches Signal gewandelt. Dieses wird auf geeignete Spannungs- und Stromwerte mittels des sekundärseitigen Transformators transformiert und erreichen die Logikschaltung LC. So kann die Primärseite die Aktivität der Sekundärseite steuern. Ein mögliches Antwortsignal wird von der Einheit aus sekundärseitigem Wandler und Transponder TP zurück zur Primärseite S1 übermittelt und kann über den Ausgangsport RX an die externe Schaltungsumgebung weitergeleitet werden.
Die primärseitige Schaltung ist dabei geeignet, die sekundärseitige Schaltung mit Energie zu versorgen, z.B. durch ein kontinuierlich gesendetes, im Wesentlichen sinusförmiges Signal der Trägerfrequenz, sodass auf der Sekundärseite das Vorsehen zusätzlicher Energiespeicher, die ansonsten regelmäßig ausgewechselt werden müssten, entfällt.
Figur 3 zeigt die Elemente des akustischen Kanals. Zwischen den beiden elektroakustischen Wandlern EAW ist das Material der Barriere B angeordnet, das als Medium für das Propagieren der akustischen Wellen zwischen den Wandlern dient. Jeder Wandler ist über ein akustisches Impedanzanpasselement AIA mit dem Medium M verbunden. Das akustische Impedanzanpasselement AIA kann dabei ein Klebstoff mit geeigneter akustischer Impedanz sein.
Es ist vorteilhaft, eine möglichst dünne oder gar keine Klebeschicht zu verwenden.
Eine spezielle Impedanzanpassung zwischen Wandler und Medium ist möglich aber nicht notwendig.
Vielmehr können Reflexionen vorteilhaft bei der Signalübertragung genützt werden. Eine „zu gute" Anpassung wäre also hier gar nicht erstrebenswert.
Figur 4 zeigt ein Frequenzspektrum bei dem die Signalstärke der Antwort in Abhängigkeit von der Frequenz für verschiedene Übertragungsverhältnisse im Transformator auf der Sekundärseite aufgetragen ist. VK stellt dabei eine kritische Signalstärke für die Stärke des Empfangssignals dar, ab der ein sicheres Auswerten des Empfangssignals möglich ist. Es hat sich gezeigt, dass für die verwendete Materialkombination Arbeitsfrequenzen von 9,4 MHz, 10 MHz und 10,9 MHz für beide Übertragungsverhältnisse 1:5 und 1:7 im Transformator geeignet sind.
Figur 5 zeigt dabei einen möglichen Amplitudenverlauf bei der Kommunikation von Primärseite zu Sekundärseite und der entsprechenden Antwort der Sekundärseite dar. Die Primärseite verwendet dabei sechs Wellenpakete, die an die Sekundärseite übermittelt werden. Nach einer gewissen Wartezeit (frame delay time) antwortet die Sekundärseite mit spezifischen, vom ermittelten Parameterwert abhängigen Signalen.
Figur 6 zeigt ein analytisches Model des akustischen Signals, mit Hilfe dessen die Signalübertragung nachvollzogen werden kann. Jedes der akustisch aktiven Elemente zwischen den Wandlern EAW (primärseitiges akustisches
Impedanzanpasselement, Medium der Barriere, sekundärseitiges akustisches Impedanzanpasselement) kann durch komplexe Impedanz (Z) und Admittanz (Y) Werte beschrieben werden. Je nach Impedanzsprung an Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Materialien ergibt sich ein effektiver Reflektionsfaktor, sodass die Materialien leicht wählbar sind, dass ein hoher Grad an Signal- und Energieübermittlung an den akustischen Wandler möglich ist.
Figur 7 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Wandler (d.h. Transponder) Frontend Schaltung, welche an der Sekundärseite zwischen elektroakustischem Wandler und der sekundärseitigen Logikschaltung eingesetzt werden kann.
Die Transistoren TI, T2, T3, T4, T5, T6 darin bilden einen Gleichrichter.
Die Schaltung hat einen ersten Eingangsanschluss Al und einen zweiten Eingangsanschluss A2, um das sinusförmige Wechselsignal der Trägerfrequenz von ca. 10 MHz aufzunehmen, sowie einen Ausgangsanschluss SUP, um eine Logikschaltung mit elektrischer Leistung in Form von Gleichspannung und Gleichstrom zu versorgen.
Ferner hat die Schaltung vier Schaltungsknoten A, B, C, D. Eine Kapazität zwischen den Anschlüssen Al und A2 stellt unvermeidliche parasitäre Kapazität der MOS Transistoren dar, sowie gegebenenfalls ein kapazitives Element. Die beiden Transistoren T3 und T4 stellen Schalter dar, die durch die Spannung an ihrem Gate-Anschluss (relativ zur Spannung an ihrem Source- bzw. Drain-Anschluss) leitend oder nichtleitend gesteuert werden. Die Transistoren TI und T2, sowie die Transistoren T6 und T7 werden als sogenannte MOS-Dioden betrieben (Gate-Anschluss ist mit dem Drain-Anschluss verbunden), d.h. ihre Funktion ist die einer Diode. Insgesamt ergibt das Konstrukt einen Gleichrichter, welcher an den Schaltungsknoten A und B, bzw. ebenso an A und D, eine Gleichspannung erzeugt, wobei A die Referenz bzw. den Ground- Anschluss mit 0 Volt darstellt, und an B und D eine gegenüber A höhere Spannung sich ausbildet.
Um die Gleichspannung konstant zu halten, wird ein sogenannter Spannungs-Limiter realisiert. Dieser besteht aus dem Operationsverstärker und dem Transistor T5. Der Operationsverstärker vergleicht die Versorgungsgleichspannung am Punkt C, welche durch einen Spannungsteiler aus den Widerständen RI und R2 von der Spannung am Punkt B abgeleitet ist, mit einer KonstantSpannungsreferenz V_REF, z.B. einer Bandgap-Referenz. Dies bildet einen Regelkreis. Wenn die Eingangswechselspannung zwischen Al und A2 sich erhöht, ändert sich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers in der Weise, dass der Transistor T5 etwas mehr Strom leitend wird, d.h. seine Impedanz zwischen Source und Drain, welche an den Punkten A und D anliegt, wird etwas niederohmiger. Dadurch wird die Spannung am Punkt B gegenüber der Referenz (GND) am Punkt A konstant gehalten. Für die Versorgung der nachfolgenden Logik-Schaltung, welche im Betrieb einen zeitlich variablen Strombedarf hat, ist so eine konstante Versorgungsspannung wesentlich.
Die Änderung der Impedanz des Transistors T5 hat aber auch eine Auswirkung auf die Impedanz, welche zwischen den Eingangsanschlüssen Al und A2 anliegt. Im Wesentlichen wird auch die Spannung zwischen Al und A2 konstant gehalten, auch wenn der Eingangsstrom in Al sich ändert, z.B. größer wird. Das ist gleichbedeutend damit, dass die Eingangsimpedanz zwischen den Punkten Al und A2 sich ändert, abhängig von der Regelung des Transistors T5.
Man kann dieses Konzept zur Erzeugung von Lastmodulation nutzen. Dazu kann ein weiterer Transistor T8 genutzt werden, welcher mit seinem Drain- und Source Anschluss parallel zu T5 liegt. Das Gate von T8 kann nun mit einer Steuerspannung moduliert werden, welche die zu übertragenden Daten in Form einer Kanalcodierung (z.B. Manchester-Codierung) auf einer Hilfsträgerfrequenz enthält. Die Hilfsträgerfrequenz kann beispielsweise eine Frequenz sein, welche durch Teilung der Trägerfrequenz-Wechselspannung zwischen den Punkten Al und A2 entsteht, beispielsweise aus Teilung durch Faktor 16 oder Faktor 32. Diese Hilfsträgerfrequenz kann wieder durch einen Datenstrom z.B. in Manchester-Codierung, gesteuert werden.
Figur 8 zeigt verwendbare Signale in Zeit- und Frequenzbereichen, die sich durch entsprechende Transformationen auseinander ergeben. Speziell zeigt der obere Teil der Figur zeitliche Verläufe. Der untere Teil zeigt zugehörige Frequenzanteile.
Im oberen Teil der Figur 8 zeigt die oberste Kurve Nutzdatenbits für eine gewisse Zeitdauer, speziell eine Null, eine Eins und den Übergang dazwischen. In der folgenden Zeile ist der Verlauf einer zugehörigen Kanalkodierung angegeben.
In der dritten Zeile ist der zeitliche Verlauf des zugehörigen Hilfsträgers gezeigt. In der vierten Zeile ist der mittels der Kanalcodierung modulierte Hilfsträger gezeigt. In der letzten Zeile des oberen Teils der Figur 8 ist der Träger mit Lastmodulation gezeigt. Die erste Zeile des unteren Teils der Figur 8 stellt die Kanalkodierung im Frequenzbereich dar. Die zweite Zeile des unteren Teils der Figur 8 stellt den modulierten Hilfsträger im Frequenzbereich dar. Die dritte Zeile des unteren Teils der Figur 8 stellt die Darstellung der Lastmodulierung auf dem Träger dar.
D. h. über den geeignet modulierten Hilfsträger ist eine Verdoppelung oder - je nach Frequenzabständen - Vervierfachung von Übertragungs-frequenzbereichen möglich. Dadurch ist die Störsicherheit (z.B. bei Beeinflussung durch Geräusche im Metall oder bei Beeinflussung durch ausgeprägte Resonanzen im Metall, welche statistisch eher nur in einem Frequenzbereich auftreten) verbessert.
Figur 9 zeigt die Elemente einer Form des
Übertragungssystems, bei dem auf der Primärseite ein Modul mit Luft-Schnittstelle, speziell mit NFC (NFC = Near Field Communication = Nahfeldkommunikation) Schnittstelle bereitgestellt ist. Dadurch kann die Primärseite kontaktlos über ein entsprechendes Kontrollgerät, z. B. ein tragbares Kommunikations-Endgerät wie ein Mobiltelefon mit entsprechender Steuerungssoftware, gesteuert werden. Das Modul auf der Primärseite hat dazu eine Leiterplatte mit den entsprechenden elektronischen Schaltungskomponenten und eine Antenne. Die Antenne kann dabei direkt als Metallisierung in der Leiterplatte oder auf der Leiterplatte gebildet sein.
Diese kontaktlose Anbindung der Primärseite kann als einzige Anbindung, oder zusätzlich zu einer Anbindung über eine andere Verbindung, wie beispielsweise einem Kabel, erfolgen. Die kontaktlose Anbindung kann praktisch dazu genutzt werden, die ID-Nummer einzelner Primärseiten in einem System bestehend aus mehreren Primärseiten, einer Position im System zuzuordnen.
Figur 10 zeigt eine Variation, bei der das Modul auf der Primärseite über ein weiteres Modul gesteuert wird. Das weitere Modul kann dabei mit einer externen Logikschaltung, z. B. einem Bussystem eines Computers, verschaltet sein. Das weitere Modul enthält dann auch die Steuerungselemente für die kontaktlose Kommunikation mit dem Primärseitigen Modul.
Mittels der oben beschriebenen Schaltungen und Systeme ist es leicht und mit wenig Schaltungsaufwand und Energiebedarf auf der Sekundärseite möglich, Barrieren für eine Kommunikation mittels akustischer Wellen zu überwinden, die für elektromagnetische Signale intransparent sind.
Bezugszeichenliste
AIA: akustisches Impedanzanpasselement
B: Barriere EAW: elektroakustischer Wandler
RX: EmpfangsanSchluss
EE: Empfangseinheit
Al, A2: erster, zweiter Anschluss
V: hermetisch abgeschlossenes Volumen A, B, C, D: jeweilige Schaltungsknoten VK: kritische Ausgangsspannung
LC: LogikSchaltung
M: Medium der akustischen Wellen
Sl, S2: Primärseite, Sekundärseite TI,..., T8: erster, ... achter Transistor
TX1, TX2: SendeanSchluss
SE: Sendeeinheit
SL1, SL2: Signalleitungen
TP: Transponder SUP: VersorgungsanSchluss
V_MOD: modulierte Spannung
V_REF: Konstantspannungsreferenz

Claims

Patentansprüche
1. Akustisches Übertragungssystem, umfassend auf der Primärseite:
- eine Sendeeinheit, die dafür vorgesehen und geeignet ist, ein Sendesignal bereitzustellen,
- eine Empfangseinheit, die dafür vorgesehen und geeignet ist, ein Empfangssignal als Antwort auf das Sendesignal zu empfangen,
- einen elektroakustischen Wandler, der dafür vorgesehen und geeignet ist, das Sendesignal in ein akustisches Signal und ein akustisches Signal in ein Empfangssignal zu wandeln, auf der Sekundärseite:
- einen Transponder, der dafür vorgesehen und geeignet ist, ein Empfangssignal zu empfangen und ein Sendesignal zu senden,
- einen elektroakustischen Wandler, zwischen der Primärseite und der Sekundärseite ein Medium, das für akustische Signale durchlässig ist.
2. Akustisches Übertragungssystem nach dem vorherigen Anspruch, ferner umfassend auf der Sekundärseite einen Sensor.
3. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend auf der Sekundärseite eine Logikschaltung .
4. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend auf der Sekundärseite einen Modulator oder einen MOSFET.
5. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend auf der Sekundärseite einen Modulator zum Modulieren der elektrischen Last am sekundärseitigen elektroakustischen Wandler.
6. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend auf der Sekundärseite einen Gleichrichter .
7. Akustisches Übertragungssystem nach einem der drei vorherigen Ansprüche, bei dem der Gleichrichter
- zwischen dem elektroakustischen Wandler und dem Modulator verschaltet ist und/oder
- direkt mit dem Modulator verschaltet ist.
8. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen Transistor (T8), dessen Basis mit einem Anschluss (V_MOD) für die Lastmodulation verschaltet ist.
9. Akustisches Übertragungssystem nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Transistor ein MOSFET ist.
10. Akustisches Übertragungssystem nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, umfassend einen Gleichrichter zwischen einem elektroakustischen Wandler und dem Transistor (T8), wobei bei Kurzschließen des Transistors (T8) zur Lastmodulation die Spannung am elektroakustischen Wandler nicht Null wird.
11. Akustisches Übertragungssystem nach dem vorherigen Anspruch, wobei es auch während einer Modulation möglich ist, den Takt auf der Sekundärseite von einer eintreffenden akustischen Welle mit der Trägerfrequenz Primärseite abzuleiten.
12. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend auf der Sekundärseite einen Zwischenenergiespeicher .
13. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Transponder dazu vorgesehen und geeignet ist, den Takt des Empfangssystems als Systemtakt zu verwenden.
14. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sekundärseite frei von einem Oszillator für die Rückkommunikation ist.
15. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sekundärseite frei von einem Oszillator ist.
16. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend auf der Sekundärseite ein elektrisches Impedanzanpassnetzwerk.
17. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend auf der Sekundärseite einen Frequenzverminderer .
18. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend auf der Sekundärseite eine Schaltungseinheit mit einem Transformator und einer Parallelschaltung mit einem induktiven Element, einem kapazitiven Element und einer Logikschaltung.
19. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend auf der Sekundärseite eine Logikschaltungs-Frontendschaltung mit einem Port, einem Versorgungsanschluss, vier Schaltungsknoten (A, B, C, D), einem Operationsverstärker und sieben Transistoren.
20. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend auf der Primärseite und/oder auf der Sekundärseite eine akustische Impedanzanpassung und/oder eine elektrische Impedanzanpassung.
21. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend auf der Primärseite eine Frequenzweiche .
22. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Primärseite dazu vorgesehen und geeignet ist, die Sekundärseite mit Energie zu versorgen.
23. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, das zur unidirektionalen Kommunikation oder zur bidirektionalen Kommunikation vorgesehen und geeignet ist.
24. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend auf der Primärseite ein Anpassnetzwerk mit zwei Signalleitungen, einem balanced geführten Eingang, einem unbalanced geführten Ausgang, einem Versorgungsanschluss, drei induktiven Elementen und 6 kapazitiven Elementen.
25. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend auf der Sekundärseite Mittel zur Aufzeichnung und/oder Übertragung akustischer und/oder optischer Wahrnehmung.
26. Akustisches Übertragungssystem nach dem vorherigen Anspruch, umfassend auf der Sekundärseite Mittel zur Aufzeichnung und/oder Übertragung von AudioaufZeichnung, Bildaufzeichnung, Videoaufzeichnung, Bild-und-Ton-
AufZeichnung.
27. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elemente der Sekundärseite durch von der Primärseite übertragenen Energie betreibbar sind.
28. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf der Sekundärseite aufgenommene Informationen in Form digitaler Daten als Nutzdaten zur Primärseite übertragbar sind.
29. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf der Sekundärseite aufgenommene Videoinformationen in Monochrom-, Graustufen- oder Farb-bild zur Primärseite übertragbar sind.
30. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf der Sekundärseite aufgenommene Audioinformationen als Mono- oder Stereo-Signal zur Primärseite übertragbar sind.
31. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei der Übertragung eines Bildes oder Bewegtbildes der Beginn einer neuen Bildzeile nach außen übertragbar ist.
32. Akustisches Übertragungssystem nach dem vorherigen Anspruch, umfassend Mittel zur Übertragung des Beginns einer neuen Bildzeile an die Sekundärseite.
33. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei der Übertragung eines Farbbilds von der Sekundärseite zur Primärseite je Bildpunkt 3 Werte übertragbar sind.
34. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei der Übertragung eines Farbbilds von der Sekundärseite zur Primärseite je Bildpunkt 3 Werte übertragbar sind.
35. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend auf der Primärseite und auf der Sekundärseite je eine Schaltung, deren Größe des Datenrahmens dazu vorgesehen und geeignet ist, die zu übertragenden Informationen zu senden bzw. zu empfangen.
36. Akustisches Übertragungssystem nach dem vorherigen Anspruch, bei der der Datenrahmen 64 Bytes groß ist.
37. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Primärseite ein Modul mit einer Antenne enthält oder die Primärseite um ein Modul mit einer Antenne erweiterbar ist.
38. Akustisches Übertragungssystem nach dem vorherigen Anspruch, das dazu vorgesehen und geeignet ist, über eine Luftschnittstelle Verbindung mit einem externen Kommunikationsgerät zu kommunizieren.
39. Akustisches Übertragungssystem nach dem vorherigen Anspruch, wobei das externe Kommunikationsgerät ein Mobilfunk-Endgerät ist.
40. Akustisches Übertragungssystem nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Primärseite und/oder die Sekundärseite mittels eines externen Kommunikationsgeräts gesteuert werden kann.
41. Akustisches Übertragungssystem nach einem der drei vorherigen Ansprüche, wobei die Luftschnittstelle ausgewählt ist aus einer Verbindung über einen Transceiver eines Wireless-Standards, einer NFC-Verbindung, einer Bluetooth- Verbindung.
42. Akustisches Übertragungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend auf der Primärseite
- ein Wandlerelement, sowie einen Energiespeicher und eine Schaltung zur Umsetzung der Daten zwischen den verschiedenen Übertragungsstandards .
43. Akustisches Übertragungssystem nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Energiespeicher eine Batterie oder ein aufladbarer Akkumulator ist.
44. Primärschaltung, umfassend die Elemente auf der Primärseite des Übertragungssystems nach einem der vorherigen Ansprüche.
45. Sekundärschaltung, umfassend die Elemente auf der Sekundärseite des Übertragungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
46. Verfahren zum Übertragen mittels eines akustischen Übertragungssystems, umfassend die Schritte:
- Senden, mittels einer Sendeeinheit auf einer Primärseite, eines Trägersignals zu einer Empfangseinheit auf einer Sekundärseite;
- Empfangen des Trägersignals durch die Empfangseinheit;
- Erzeugen eines AntwortSignals auf der Basis eines Messwerts;
- Übermitteln des AntwortSignals an die Primärseite.
47. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Primärseite und die Sekundärseite hermetisch und/oder durch eine für elektromagnetische Signale undurchdringliche Barriere getrennt sind.
48. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem akustische Wellen eine Barriere zwischen Primärseite und
Sekundärseite durchdringen und Informationen und/oder Energie übertragen.
49. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Kommunikation Punkt-zu-Punkt verschlüsselt ist.
50. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Kommunikation ein kryptographisches Verfahren nutzt.
51. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei Daten verschlüsselt werden, damit ihr Inhalt einer dritten Seite nicht zugänglich ist und/oder durch eine dritte Seite nicht gezielt veränderbar ist.
52. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Kommunikation via digitale Signale stattfindet.
53. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Kommunikation unidirektional oder bidirektional stattfindet.
54. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Informationen mittels Modulation übertragen werden, die ausgewählt ist aus Lastmodulation, Amplitudenmodulation, Phasenmodulation, Frequenzmodulation, komplexe Modulation.
55. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Datenflussrichtung die Richtung von der Primärseite zur Sekundärseite einschließt.
56. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei als Modulation jede einzelne Modulation der Abschnitten 8 und 9 der Norm ISO/IEC14443-2 _2010 in Frage kommt.
57. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche mit Fehlererkennungs- oder Fehlerkorrekturmethoden.
58. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Datenrahmen vom von der Primärseite zur Sekundärseite nach Bedarf geschickt werden und von der Sekundärseite beantwortet werden.
59. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei zwischen asynchronen Datenrahmen nur die nicht modulierte Trägerfrequenz von der Primärseite zur Sekundärseite gesendet wird.
- Al - O. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen 8 bit Nutzdaten ein Parity-Bit gemäß der Norm ISO/IEC14443-3 _2011 gesendet wird.
61. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Übertragung einen Cyclic Redundancy Check (CRC) Mechanismus verwendet.
62. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Cyclic Redundancy Check (CRC) ein CRC16 Check oder CRC32 Check gemäß der Norm ISO/IEC14443-3_2011 ist, bei dem die letzten 2x8 bits bzw. 4x8 bits zu dem Check gehören.
63. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem auf der Sekundärseite Energie zwischengespeichert wird.
64. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem akustische Longitudinalwellen eine massive Barriere durchqueren.
65. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Kommunikation durch die Primärseite gesteuert wird.
66. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Primärseite mit mehr als einer Sekundärseiten kommuniziert.
67. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche mit einer Anti-Kollisions-Methode .
68. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche mit Kommunikation mit Frequenzen im Bereich von 1 MHz bis 50 MHz.
69. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die elektroakustische Kommunikation Frequenzen in dem Frequenzbereich 13,56 MHz ± 0,5 MHz nutzt.
70. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Elemente des akustischen Kanals zwischen der Primärseite und der Sekundärseite an den Frequenzbereich 13,56 MHz ± 0,5 MHz angepasst sind.
71. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Elemente des akustischen Kanals die elektroakustischen Wandler, Klebeschichten und das Medium umfassen.
72. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend ein Variieren von Frequenzen und/oder Amplituden, um ein Verändern von Umgebungsparameter oder Fertigungstoleranzen zu kompensieren.
73. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei sich das Variieren von Frequenzen an empfangenen digitalen Daten, die die Primärseite von der Sekundärseite empfängt, orientiert.
74. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Sekundärseite zuerst korrekt ein Kommando der Primärseite empfängt.
75. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Sekundärseite anschließend die Primärseite über „gute" oder „schlechte" Frequenzen informiert.
76. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Einteilung in "gute" und "schlechte" Frequenzen auf der Bitfehlerrate basiert.
77. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei für die Einteilung in "gute" und "schlechte" Frequenzen keine zusätzlichen analogen Schaltungselemente benötigt werden und keine Bewertung der Amplitudenhöhe notwendig ist.
78. Verwendung eines akustischen Übertragungssystems nach einem der vorherigen Systemansprüche zum Abfragen eines Messwerts in einem von der Primärseite hermetisch und/oder galvanisch getrenntem Volumen.
79. Verwendung nach dem vorherigen Anspruch zur Messung von Temperatur, Gasdruck und/oder Feuchtigkeit und/oder pH-Wert und/oder Druck in flüssigen Medien.
80. Verwendung nach einem der beiden Ansprüche in einem Hochspannungskondensator für eine galvanisch getrennte Übertragung nach außen.
81. Verwendung eines Fehlererkennungsmechanismus in einem akustischen Übertragungssystem, um gut geeignete Trägerfrequenzen, Amplituden bzw. Einstellungen einer Modulation zu finden.
82. Verwendung eines akustischen Übertragungssystems zur Nutzung von vier oder mehr akustischen Frequenzbereichen, in denen die gleiche Information übertragen wird.
83. Verwendung nach dem vorherigen Anspruch, wobei bei der Lastmodulation ein zweistufiges Modulationsverfahren zum Einsatz kommt.
84. Verwendung nach dem vorherigen Anspruch, wobei - Daten in Manchester-Codierung in einem ersten Schritt auf einen Hilfsträger aufmoduliert werden und,
- der Hilfsträger im Kanal in einem zweiten Schritt wieder der Trägerfrequenz aufmoduliert wird.
85. Verwendung nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Primärseite die Information der Sekundärseite immer zur gleichen Zeit und parallel in vier Frequenzbändern erhält, die relativ zum Träger aber festgelegt sind.
86. Verwendung nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Information also gleichzeitig immer in vier Frequenzbereichen übertragen werden.
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DE112021002067.6T DE112021002067A5 (de) 2020-03-31 2021-03-01 Akustisches Übertragungssystem, Primärschaltung, Sekundärschaltung, Verfahren zum Übertragen und Verwendung eines akustischen Übertragungssystems
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4198507A1 (de) * 2021-12-17 2023-06-21 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Verfahren und system zur bestimmung des zustands eines sensors durch ein medium
DE102022129889B3 (de) 2022-11-11 2023-12-21 Tdk Electronics Ag Elektro-akustisches Multifunktionsmodul und elektro-akustisches Kommunikationssystem

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5018114A (en) * 1988-12-13 1991-05-21 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Adjustable frequency diversity acoustic communications system
US5594705A (en) 1994-02-04 1997-01-14 Dynamotive Canada Corporation Acoustic transformer with non-piezoelectric core
EP1771224A1 (de) * 2004-07-09 2007-04-11 Cardiac Pacemakers, Inc. Akustisches kommunikationssystem für ein implantierbares medizinprodukt
US20120182836A1 (en) * 2009-09-18 2012-07-19 Electronics And Telecommunications Research Institute Communication system using ultrasonic waves
DE102007038419B4 (de) 2007-08-14 2012-08-23 Epcos Ag Vorrichtung und Verfahren zur Übertragung von Messdaten
US20130177300A1 (en) * 2003-03-17 2013-07-11 Koninklijke Philips Electronics N.V. Apparatus for and a method of storing a real time stream of digital information signals
US20140050321A1 (en) * 2012-08-16 2014-02-20 David E. Albert Ultrasonic transmission of signals
US20140276247A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Sonovia Holdings Llc Light and ultrasonic transducer device
US20150049587A1 (en) * 2012-03-29 2015-02-19 Rensselaer Polytechnic Institute Full-duplex ultrasonic through-wall communication and power delivery system with frequency tracking
US20170125892A1 (en) * 2013-05-13 2017-05-04 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Single transducer for data and power in wirelessly powered devices
US20170363581A1 (en) * 2014-03-27 2017-12-21 Ultrapower Llc Electro-Acoustic Sensors For Remote Monitoring

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6625084B1 (en) * 2002-08-20 2003-09-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy System for acoustically passing electrical signals through a hull
US7525398B2 (en) * 2005-10-18 2009-04-28 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Acoustically communicating data signals across an electrical isolation barrier
US7514844B2 (en) * 2006-01-23 2009-04-07 Avago Technologies Wireless Ip (Singapore) Pte. Ltd. Acoustic data coupling system and method
US8519566B2 (en) * 2006-03-28 2013-08-27 Wireless Environment, Llc Remote switch sensing in lighting devices
DE102010049138A1 (de) * 2010-10-22 2012-04-26 Ksb Aktiengesellschaft Vorrichtung zur Pumpenüberwachung
US20120127833A1 (en) * 2010-11-19 2012-05-24 Progeny Systems Corporation Acoustic power and data transmission through a solid medium
WO2012141891A1 (en) * 2011-04-12 2012-10-18 Rensselaer Polytechnic Institute Adaptive system for efficient transmission of power and data through acoustic media
GB2498213B (en) * 2012-01-09 2018-11-21 Bae Systems Plc Transducer arrangement

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5018114A (en) * 1988-12-13 1991-05-21 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Adjustable frequency diversity acoustic communications system
US5594705A (en) 1994-02-04 1997-01-14 Dynamotive Canada Corporation Acoustic transformer with non-piezoelectric core
US20130177300A1 (en) * 2003-03-17 2013-07-11 Koninklijke Philips Electronics N.V. Apparatus for and a method of storing a real time stream of digital information signals
EP1771224A1 (de) * 2004-07-09 2007-04-11 Cardiac Pacemakers, Inc. Akustisches kommunikationssystem für ein implantierbares medizinprodukt
DE102007038419B4 (de) 2007-08-14 2012-08-23 Epcos Ag Vorrichtung und Verfahren zur Übertragung von Messdaten
US20120182836A1 (en) * 2009-09-18 2012-07-19 Electronics And Telecommunications Research Institute Communication system using ultrasonic waves
US20150049587A1 (en) * 2012-03-29 2015-02-19 Rensselaer Polytechnic Institute Full-duplex ultrasonic through-wall communication and power delivery system with frequency tracking
US20140050321A1 (en) * 2012-08-16 2014-02-20 David E. Albert Ultrasonic transmission of signals
US20140276247A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Sonovia Holdings Llc Light and ultrasonic transducer device
US20170125892A1 (en) * 2013-05-13 2017-05-04 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Single transducer for data and power in wirelessly powered devices
US20170363581A1 (en) * 2014-03-27 2017-12-21 Ultrapower Llc Electro-Acoustic Sensors For Remote Monitoring

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Identification cards - Contactless integrated circuit cards - Proximity cards - Part 2: Radio frequency power and signal interface", ISO/IEC 14443-2:2016, IEC, 3, RUE DE VAREMBÉ, PO BOX 131, CH-1211 GENEVA 20, SWITZERLAND, 21 July 2016 (2016-07-21), pages 1 - 44, XP082004488 *
"Identification cards - Contactless integrated circuit cards - Proximity cards - Part 3: Initialization and anticollision", ISO/IEC 14443-3:2016, IEC, 3, RUE DE VAREMBÉ, PO BOX 131, CH-1211 GENEVA 20, SWITZERLAND, 27 May 2016 (2016-05-27), pages 1 - 64, XP082000010 *
DING-XIN YANGZHENG HUHONG ZHAOHAI-FENG HUYUN-ZHE SUNBAO-JIAN HOU: "Through-Metal-Wall Power Delivery and Data Transmission for Enclosed Sensors: A Review", SENSORS, vol. 15, 2015, pages 31581 - 31605, XP002801304, Retrieved from the Internet <URL:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4721790>
MD RABIUL AWALMUZAMMIL JUSOHTHENNARASAN SABAPATHYMUHAMMAD RAMLEE KAMARUDINROSEMIZI ABD RAHIM: "International Journal of Antennas and Propagation", vol. 2016, HINDAWI PUBLISHING CORPORATION, article "State-of-the-Art Developments of Acoustic Energy Transfer"

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4198507A1 (de) * 2021-12-17 2023-06-21 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Verfahren und system zur bestimmung des zustands eines sensors durch ein medium
FR3131146A1 (fr) * 2021-12-17 2023-06-23 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Procédé et système de détermination de l’état d’un capteur à travers un support
DE102022129889B3 (de) 2022-11-11 2023-12-21 Tdk Electronics Ag Elektro-akustisches Multifunktionsmodul und elektro-akustisches Kommunikationssystem
WO2024099800A1 (de) 2022-11-11 2024-05-16 Tdk Electronics Ag Elektro-akustisches multifunktionsmodul und elektro-akustisches kommunikationssystem

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AT17666U2 (de) 2022-10-15
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