DE102004013885A1

DE102004013885A1 - Verfahren sowie Modulationssteuereinrichtung zur drahtlosen Datenübertragung

Info

Publication number: DE102004013885A1
Application number: DE102004013885A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. Friedrich (Fh)
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: CN1674569A; DE102004013885B4; US7590087B2; CN1674569B; US20050207391A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drahtlosen Datenübertragung zwischen einer Basisstation und einem oder mehreren, insbesondere passiven, Transpondern, bei dem von der Basisstation elektromagnetische Trägerwellen emittiert werden und Zeichen von einem jeweiligen Transponder zur Basisstation durch Modulation und Rückstreuen der elektromagnetischen Trägerwellen übertragen werden, wobei ein Wechsel eines Modulationszustandes synchron zu von der Basisstation gesendeten Synchronisationsmarken erfolgt, sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Modulationssteuereinrichtung. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein Wechsel des Modulationszustandes von einem jeweiligen Transponder mit einer vorgebbaren Zeitverzögerung, bezogen auf die Synchronisationsmarken, durchgeführt. DOLLAR A Verwendung z. B. in RFID-Systemen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drahtlosen Datenübertragung zwischen einer Basisstation und einem oder mehreren Transpondern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Modulationssteuereinrichtung.

Derartige Übertragungsverfahren zwischen einer oder mehreren Basisstationen bzw. Lesegeräten und einem oder mehreren Transpondern finden beispielsweise bei kontaktlosen Identifikationssystemen oder sogenannten Radio-Frequency-Identification(RFID)-Systemen Verwendung. Auf dem Transponder können auch Sensoren, beispielsweise zur Temperaturmessung, integriert sein. Derartige Transponder werden auch als Remote-Sensoren bezeichnet.

Die Transponder bzw. deren Sende- und Empfangseinrichtungen verfügen üblicherweise nicht über einen aktiven Sender für die Datenübertragung zur Basisstation. Derartige nicht aktive Systeme werden als passive Systeme bezeichnet, wenn sie keine eigene Energieversorgung aufweisen, und als semipassive Systeme bezeichnet, wenn sie eine eigene Energieversorgung aufweisen. Passive Transponder entnehmen die zu ihrer Versorgung benötigte Energie dem von der Basisstation emittierten elektromagnetischen Feld.

Zur Datenübertragung von einem Transponder zur Basisstation mit UHF oder Mikrowellen im Fernfeld der Basisstation wird in der Regel die sogenannte Backscatter- oder Rückstreukopplung eingesetzt. Hierzu werden von der Basisstation elektromagnetische Trägerwellen emittiert, die durch die Sende- und Empfangseinrichtung des Transponders entsprechend den an die Basisstation zu übertragenden Daten mit einem Modulationsverfahren moduliert und reflektiert werden. Die typischen Modulationsverfahren hierfür sind die Amplitudenmodulation, die Phasenmodulation und die Amplitude-Shift-Keying(ASK)-Unterträgermodulation des Rückstreusignals, bei der die Frequenz und/oder die Phasenlage des Unterträgers geändert wird.

Die Datenübertragung von einem Transponder zur Basisstation kann synchron zu von der Basisstation gesendeten Synchronisationsmarken oder sogenannten "Notches" erfolgen.

Zur Erzeugung der Synchronisationsmarken sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Im Allgemeinen wird hierbei das Trägersignal durch die Basisstation mit einem Modulationssignal derart amplituden- und/oder phasenmoduliert, dass eine Detektionseinheit innerhalb des Transponder, die grundsätzlich auf eine Amplitudenmodulation des Trägersignals ausgelegt ist, die Synchronisationsmarke erkennen kann. Üblicherweise wird eine Synchronisationsmarke in einem Transponder mit Hilfe einer sogenannten RSSI-Schaltung detektiert.

Zur Vergrößerung der Übertragungsreichweite sind Verfahren bekannt, die das Trägersignal während der Modulationsdauer nicht vollständig ausblenden, d.h. die einen Modulationsindex aufweisen, der kleiner als eins ist.

Zur Verringerung der benötigten Bandbreite kann das Modulationssignal während der Modulationsdauer einen sinus- bzw. kosinusförmigen Verlauf aufweisen, d.h. das Trägersignal wird nicht mit einer sogenannten Rechteckfunktion ausgeblendet, sonder sinusförmig aus- und anschleißend wieder eingeschaltet. Ein Beispiel hierfür ist die sogenannte doppelte Seitenbandmodulation (DSBM) mit unterdrücktem Träger. Wenn als Modulationssignal eine Kosinusfunktion verwendet wird, lässt sich die DSBM mathematisch durch folgende prinzipielle Gleichung beschreiben:

wobei u_m(t) das modulierte Signal, C eine Konstante, ω₀ die Kreisfrequenz des Modulationssignals, Ω die Kreisfrequenz des Trägersignals und t die Zeit bezeichnen.

Die Trägerfrequenz ist hierbei im Spektrum des modulierten Signals u_m(t) unterdrückt. Eine derartige Erzeugung von Synchronisationsmarken verbessert die Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Bandbreite im Vergleich zu Modulationsverfahren, die keine Trägerunterdrückung aufweisen. Weiterhin kann die Energieversorgung des Transponders verbessert werden.

Die zu übertragenden Daten bestehen aus aufeinanderfolgenden Zeichen, die üblicherweise von einem Transponder jeweils innerhalb eines vorgegebenen Zeit- bzw. Zeichenintervalls kodiert und übertragen werden. Das Zeit- bzw. Zeichenintervall wird üblicherweise durch zwei auf einanderfolgende Synchronisationsmarken bestimmt. Bei einer binären Übertragung beträgt der Wert eines Zeichens entweder "0" oder "1".

Zur Kodierung eines Zeichens sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Ein erstes Kodierungsverfahren ist die sogenannte Non-Return-To-Zero-(NRZ)-Kodierung. Der Modulationszustand eines seriell übertragenen Signals, des sogenannten Line-Codes, entspricht hierbei dem Wert des zu übertragenden Zeichens. Eine Abwandlung hiervon stellt die sogenannte Non-Return-To-Zero-Inverted(NRZI)-Kodierung dar. Eine "1" wird hierbei durch einen Wechsel des Modulationszustandes des seriell übertragenen Signals am Beginn eines Zeichen- bzw. Bit-Intervalls dargestellt. Wenn eine "0" übertragen wird, findet keine Änderung des seriellen Signals statt. Die genannten Verfahren sind beispielsweise in dem Lehrbuch Klaus Finkenzeller, RFID-Handbuch, 3. Aufl., HANSER, 2002, siehe insbesondere Kapitel 6.1 Codierung im Basisband, beschrieben.

Wenn die Kodierung bzw. ein Wechsel des Modulationszustandes im Transponder in etwa zeitgleich zu den von der Basisstation gesendeten Synchronisationsmarken erfolgt, besteht die Gefahr, dass die Erzeugung bzw. das Senden der Synchronisationsmarken die Auswertung der zeitgleich zurückgestreuten Signale, die eine sehr geringe Leistung aufweisen, erschwert.

Wird beispielsweise eine Synchronisationsmarke mit Hilfe der doppelten Seitenbandmodulation erzeugt, erfolgt dies üblicherweise mit Hilfe eines IQ-Modulators, dessen Ausgangssignal mit einem Leistungsverstärker verstärkt wird. Das Modulationssignal wird hierbei an den I-Anschluss des IQ-Modulators angelegt.

Hierbei ist es bei herkömmlichen Systemen häufig notwendig, unter anderem um eine konstante Leistung auszusenden, die Nullpunktssymmetrie der entstehenden Hüllkurve zu überwachen und gegebenenfalls nachzujustieren. Wenn eine derartige Asymmetrie auftritt, führt dies zu einer Betragsänderung des von einem Transponder zurückgestreuten Signals. Zusätzliche Nichtlinearitäten können ebenfalls zu einer Beeinflussung des zurückgestreuten Signals führen. Derartige, auf die Erzeugung der Synchronisationsmarken zurückzuführende Beeinflussungen des zurückgestreuten Signals erschweren dessen Auswertung beträchtlich. Insgesamt ist es folglich häufig sinnvoll, das modulierte Trägersignal zu überwachen und gegebenenfalls nachzujustieren. Alternativ finden auch adaptive Systeme Verwendung, die auf Basis zurückliegender Übertragungen bzw. Daten die momentan zurückgestreuten Signale auswerten. Den genannten Verfahren ist jedoch gemeinsam, dass sie einen erheblichen Realisierungsaufwand in der Basisstation erfordern.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens zur drahtlosen Datenübertragung der eingangs genannten Art, das bei vergleichsweise geringem schaltungstechnischem Aufwand die Übertragungssicherheit zwischen Transponder und Basisstation erhöht, und einer zugehörigen Modulationssteuereinrichtung zugrunde.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Modulationssteuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.

Erfindungsgemäß wird ein Wechsel des Modulationszustandes von einem jeweiligen Transponder mit einer vorgebbaren Zeitverzögerung bezogen auf die Synchronisationsmarken durchgeführt. Aufgrund der Zeitverzögerung zwischen den von der Basisstation erzeugten Synchronisationsmarken und einem eventuellen Wechsel des Modulationszustands des zurückgestreuten Signals werden Verfälschungen des vom Transponder zurückgestreuten Signals aufgrund der Erzeugung der Synchronisationsmarken weitgehend vermieden. In anderen Worten, der Transponder wartet mit einem Wechsel des Modulationszustands so lange, bis Störungen aufgrund der Erzeugung der Synchronisationsmarken nicht mehr zu erwarten sind. Ein derartiges Verfahren ist sowohl in der Basisstation wie auch im Transponder einfach realisierbar und erhöht die Übertragungssicherheit sowie die Übertragungsreichweite.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird die Zeitverzögerung derart vorgegeben, dass sie in einem Bereich von einem Achtel bis zu einem Viertel der Dauer liegt, innerhalb der ein Zeichen kodiert wird. Dies ermöglicht eine sinnvolle Ausnutzung dieses Zeit- bzw. Zeichenintervalls, das üblicherweise durch zwei aufeinanderfolgende Synchronisationsmarken bestimmt wird.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 3 wird die Zeitverzögerung durch die Basisstation vorgegeben, indem sie in einem Kopf- oder Header-Abschnitt eines Datenpakets eine Referenzmarke überträgt. In der älteren deutschen Patentanmeldung 102 40 347 und der DE 101 38 217 A1 , die hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt der Anmeldung gemacht werden, sind Verfahren zur drahtlosen Datenübertragung zwischen einer Basisstation und einem Transponder beschrieben, bei denen zu übertragende Datenpakete einen Kopfabschnitt, einen Datenabschnitt mit zu übertragenden Nutzdaten und einen Endabschnitt umfassen. Durch entsprechendes Einfügen einer Referenzmarke in den Kopfabschnitt eines Datenpakets, das von der Basisstation an den Transponder übertragen wird, kann die Zeitverzögerung an die bestehenden Übertragungsbedingungen angepasst und dynamisch vorgegeben werden. Dies verbessert die Flexibilität und somit die Einsetzbarkeit eines auf einem derartigen Verfahren basierenden Systems.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 4 werden die Zeichen durch eine NRZ- oder eine NRZI-Kodierung kodiert. Derartige Kodierungsverfahren ermöglichen eine sichere Kodierung von zu übertragenden Zeichen.

In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 5 werden die Synchronisationsmarken mit einer doppelten Seitenbandmodulation mit unterdrücktem Träger erzeugt. Dies reduziert das zur Erzeugung der Synchronisationsmarken benötigte Spektrum und erhöht die Übertragungssicherheit sowie die Übertragungsreichweite, wobei auf eine aufwendige Hüllkurven-Überwachung des verwendeten Modulators verzichtet werden kann.

Die Modulationssteuereinrichtung nach Anspruch 6 eignet sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sie weist hierzu eine Zeitgebereinheit zur Bereitstellung einer vorgebbaren Verzögerungszeit und eine Zeitsteuereinheit auf, die mit der Zeigebereinheit gekoppelt, mit einem Synchronisationsmarkensignal und einem zu sendenden Pegel beaufschlagbar und zur Ansteuerung eines Modulators eingerichtet ist. Eine derartige Ausgestaltung einer Modulationssteuereinrichtung ist schaltungstechnisch einfach realisierbar und ermöglicht eine einfache Erweiterung eines herkömmlichen Sende- bzw. Empfangsteils eines Transponders, da sie einfach in eine bestehende Schaltungsstruktur modular integrierbar ist, ohne dass die verbleibenden Schaltungsteile bzw. deren Schnittstellen wesentlich verändert werden müssen.

In einer Weiterbildung der Modulationssteuereinrichtung nach Anspruch 7 umfasst die Zeitgebereinheit ein Monoflop oder ein RC-Netzwerk mit jeweils nachgeschaltetem Schmitt-Trigger oder einen Oszillator. Auf diese Weise lassen sich Zeitglieder zur Bereitstellung der Verzögerungszeit einfach realisieren.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen schematisch:
1 ein Diagramm eines Modulationssignals einer Basisstation zur doppelten Seitenbandmodulation mit unterdrücktem Träger sowie eines resultierenden, in einer RSSI-Schaltung eines Transponders erzeugten Synchronisationsmarkensignals,
2 ein Diagramm eines Synchronisationsmarkensignals, eines von einem Transponder zurückgestreuten Signals sowie eines zugehörigen, zu sendenden Pegels und
3 ein Blockschaltbild einer in einen Transponder integrierten Modulationssteuereinrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein Diagramm eines Modulationssignals MS einer Basisstation zur doppelten Seitenbandmodulation mit unterdrücktem Träger, das zur Modulation eines nicht gezeigten, von der Basisstation emittierten Trägersignals dient, sowie eines resultierenden, in einer RSSI-Schaltung eines passiven Transponders erzeugten Synchronisationsmarkensignals SS. Das in 1 im oberen Teil gezeigte, kosinusförmige Modulationssignal MS ändert die Phasenlage des Trägersignals bei einem Übergang von +1 nach –1 bzw. von –1 nach +1 um 180°.
Im unteren Teil zeigt 1 das resultierende Synchronisationsmarkensignal SS in einem Transponder bei Empfang des mit dem oben gezeigten Modulationssignal MS modulierten Trägersignals. Im Bereich des Phasenübergangs nimmt die Leistung des Trägersignals ab bzw. ist kurzfristig Null, was durch die RSSI-Schaltung des Transponders detektiert wird. Es entsteht ein rechteckförmiger Verlauf des Synchronisationsmarkensignals SS im Bereich der Phasenübergänge des Trägersignals. Ein Wechsel eines Modulationszustandes eines vom Transponder zurückgestreuten Signals erfolgt synchron, mit einer vorgebbaren Zeit verzögerung im Bezug auf eine Synchronisationsmarke bzw. auf eine steigende Flanke des Synchronisationsmarkensignals SS.
2 zeigt im oberen Teil den Verlauf des Synchronisationsmarkensignals SS, wenn von der Basisstation aufeinanderfolgende Synchronisationsmarken erzeugt werden, die im Transponder wie oben beschrieben detektiert werden. Da die Synchronisationsmarken kurz im Vergleich zu anderen Signaldauern sind, sind diese lediglich als Striche dargestellt.
Im mittleren Teil zeigt 2 den vom Transponder zu sendenden Pegel SP, der unter anderem vom gewählten Kodierungsverfahren und dem Wert eines zu sendenden Zeichens bzw. Bits abhängt. Dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegt eine NRZI-Kodierung zugrunde. Der Pegel beträgt in einem ersten Intervall I1 "0", in einem zweiten und dritten Intervall I2 und I3 "1" und in einem vierten Intervall I4 "0". Ein Wechsel des zu übertragenden Pegels SP erfolgt zeitgleich mit einer Synchronisationsmarke.
Ein vom Transponder zurückgestreutes Signal RS ist im unteren Teil von 2 dargestellt. Ein Wechsel des Modulationszustandes des zurückgestreuten Signals RS erfolgt mit einer Zeitverzögerung im Bezug auf eine Synchronisationsmarke. Die Zeitverzögerung beträgt ein Fünftel einer Intervalldauer T, die durch jeweils zwei aufeinanderfolgende Synchronisationsmarken festgelegt wird. Das zurückgestreute Signal RS ergibt sich durch Phasenverschiebung bzw. Zeitverzögerung des zu übertragenden Pegels SP um T/5.
Die Zeitverzögerung wird durch Einfügen einer Referenzmarke in einen Kopfabschnitt eines nicht gezeigten Datenpakets, das von der Basisstation an den Transponder übertragen wird, vorgegeben.
Aufgrund der Zeitverzögerung zwischen den von der Basisstation erzeugten Synchronisationsmarken und einem Wechsel des Modulationszustands des zurückgestreuten Signals RS werden Verfälschungen des vom Transponder zurückgestreuten Signals RS weitgehend vermieden, die ansonsten durch die Erzeugung der Synchronisationsmarken hervorgerufen werden könnten.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer in einen Transponder integrierten Modulationssteuereinrichtung MS zur Realisierung des oben beschriebenen Verfahrens. Die Modulationssteuereinrichtung MS umfasst eine Zeitgebereinheit ZG und eine Zeitsteuereinheit ZS.
Die Zeitsteuereinheit ZS dient zur Ansteuerung eines Modulators MD und wird mit dem in 1 und in 2 gezeigten Synchronisationsmarkensignal SS und dem in 2 gezeigten, zu sendenden Pegel SP beaufschlagt. Das Synchronisationsmarkensignal SS und der zu sendende Pegel SP werden von nicht gezeigten Schaltungsteilen des Transponders erzeugt. Die Zeitsteuereinheit ZS ist mit der Zeitgebereinheit ZE gekoppelt. Die Zeitgebereinheit ZE wird mit einem Freigabe-Signal EN beaufschlagt, das die Zeitgebereinheit ZE in Abhängigkeit von seinem Zustand aktiviert bzw. deaktiviert. Das Freigabe-Signal EN wird von einem nicht gezeigten Schaltungsteil des Transponders erzeugt. Im deaktivierten Zustand, beispielsweise wenn keine Kommunikation zwischen der Basisstation und dem Transponder sattfindet, wird dadurch die Stromaufnahme reduziert. Die Zeitgebereinheit ZG kann beispielsweise ein Monoflop oder ein RC-Netzwerk mit jeweils nachgeschaltetem Schmitt-Trigger oder einen Oszillator enthalten.
Die Zeitsteuereinheit ZS wird durch die Impulse des Synchronisationsmarkensignals SS getriggert. Nach dem Empfang eines Impulses, d.h. einer Synchronisationsmarke, wird die Zeitgebereinheit ZG durch die Zeitsteuereinheit ZS gestartet. Wenn die Zeitgebereinheit ZG als Oszilla tor ausgeführt ist, kann dies beispielsweise durch Rücksetzen eines Zählers erfolgen, dessen Zählerstand im Takt des Oszillators verändert wird. Die Zeitgebereinheit ZG signalisiert den Ablauf einer vorgebbaren Verzögerungszeit an die Zeitsteuereinheit ZS, die dann den zu sendenden Pegel SP an den Modulator MD anlegt. Der Zustand des zu sendenden Pegels SP wird von der Zeitsteuereinheit ZS so lange gehalten, bis an ihrem Eingang ein Pegelwechsel des zu sendenden Pegels SP stattfindet, eine Synchronisationsmarke empfangen wird und die Verzögerungszeit innerhalb der Zeitgebereinheit ZG abgelaufen ist.
Der Modulator MD erzeugt aus dem von der Zeitsteuereinheit ZS empfangenen Signal das zurückgestreute Signal RS. Der Modulator MD wird zusätzlich mit einem Modulatorfreigabesignal ME beaufschlagt, das diesen in einen energiesparenden Modus versetzen kann, wenn momentan keine Kommunikation notwendig ist. Das Modulatorfreigabesignal ME wird von einem nicht gezeigten Schaltungsteil des Transponders erzeugt.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele ermöglichen eine sichere Auswertung der von einem Transponder zurückgestreuten Signale ohne aufwändige Überwachung des von der Basisstation emittierten, modulierten Trägersignals, da Verfälschungen des vom Transponder zurückgestreuten Signals aufgrund der Erzeugung der Synchronisationsmarken weitgehend vermieden werden.

Claims

Verfahren zur drahtlosen Datenübertragung zwischen einer Basisstation und einem oder mehreren, insbesondere passiven, Transpondern, bei dem – von der Basisstation elektromagnetische Trägerwellen emittiert werden und – Zeichen von einem jeweiligen Transponder zur Basisstation durch Modulation und Rückstreuen der elektromagnetischen Trägerwellen übertragen werden, wobei ein Wechsel eines Modulationszustandes synchron zu von der Basisstation gesendeten Synchronisationsmarken erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Wechsel des Modulationszustandes von einem jeweiligen Transponder mit einer vorgebbaren Zeitverzögerung bezogen auf die Synchronisationsmarken durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitverzögerung derart vorgegeben wird, dass sie in einem Bereich von einem Achtel bis zu einem Viertel der Dauer (T) liegt, innerhalb der ein Zeichen kodiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitverzögerung durch die Basisstation vorgegeben wird, indem sie in einem Kopf-Abschnitt eines Datenpakets eine Referenzmarke überträgt.
Verfahren nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeichen durch eine NRZ- oder eine NRZI-Kodierung kodiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationsmarken mit einer doppelten Seitenbandmodulation mit unterdrücktem Träger erzeugt werden.
Modulationssteuereinrichtung (MS) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit – einer Zeitgebereinheit (ZG) zur Bereitstellung einer vorgebbaren Verzögerungszeit (T) und – einer Zeitsteuereinheit (ZS), die mit der Zeigebereinheit (ZG) gekoppelt, mit einem Synchronisationsmarkensignal (SS) und einem zu sendenden Pegel (SP) beaufschlagbar und zur Ansteuerung eines Modulators (MD) eingerichtet ist.
Modulationssteuereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitgebereinheit ein Monoflop oder ein RC-Netzwerk mit jeweils nachgeschaltetem Schmitt-Trigger oder einen Oszillator umfasst.