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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur
Datenübertragung durch Modulation-Demodulation einer
Hochfrequenzwelle für den Nachrichtenverkehr in beiden Richtungen
zwischen einer Feststation, auch Funkfeuer oder Lesestation
genannt, und einer beweglichen Station, auch Marke oder
Antwortstation genannt. Genauer betrifft die Erfindung den Aufbau
des Systems derart, daß ein simultaner und nicht abwechselnder
Datenaustausch zwischen einem Funkfeuer und mindestens einer
Marke möglich ist. Im Hochfrequenzbereich kann die Feststation
eine große Zahl beweglicher Stationen ohne Kollision zwischen
den ausgetauschten Informationsfolgen abfragen.
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Ein solcher Datenaustausch wird bei der Kontrolle von
Fahrzeugen, z.B. zur Identifizierung von Schienenfahrzeugen,
zur Identifizierung von Kraftfahrzeugen an einer Mautstelle
oder zur Identifizierung von Fußgängern am Eingang eines
Gebäudes verwendet. In diesem Fall werden die beweglichen Marken
am ortsfesten Lesegerät vorbeigeführt. In manchen Suchaufgaben
können jedoch auch die Marken an einem gesuchten Gegenstand
befestigt sein, und das Lesegerät wird hin- und hergeführt,
bis es den gesuchten Gegenstand gefunden hat. Um die
Erläuterung der Erfindung zu vereinfachen, werden die Bezeichnungen
Lesegerät und Antwortmarke oder Transponder beibehalten,
selbst wenn das Lesegerät beweglich und die Marke ortsfest
ist.
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Die bekannten System zum Datenaustausch mittels
Hochfrequenz verwenden Marken vom Typ einer Kreditkarte, die
abwechselnd betrieben werden, da sie möglichst einfach
konzipiert sind in Hinblick auf die Verwendung in der breiten
Öffentlichkeit, d.h. unter anderem mit nur einer Antenne in der
Marke.
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Das Gesamtschema eines bekannten
Hochfrequenz-Datenaustauschsystems ist ziemlich einfach und wird in den
veröffentlichten französischen Patentanmeldungen 26 69 475, -479,
-481 und -484 beschrieben, die am 16. November 1990 von der
Anmelderin hinterlegt worden sind.
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Eine bewegliche Station oder Marke enthält ein
Hochfrequenzteil, ein Informationsverarbeitungsteil und eine
Stromversorgung. Der Austausch zwischen diesen beiden Teilen
betrifft die Modulation-Demodulation und die
Sende/Empfangssteuerung.
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Eine Feststation oder ein Funkfeuer enthält eine
Hochfrequenzquelle, ein Hochfrequenzteil, ein
Informationsverarbeitungsteil und einen Rechner, der den ganzen
funkelektrischen Datenaustausch mit den Marken über die Antenne der Marke
und die Antenne des Funkfeuers oder Lesegeräts verwaltet.
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Die erwähnten Patentanmeldungen betreffen im
wesentlichen die Optimierung der Energie in der Marke und beschreiben
verschiedene Lösungen für die Organisation und den Betrieb des
Modems (Modulator-Demodulator) der Marke, um in der Marke
Energie zu sparen. Eine Marke besteht nämlich aus einer
Chipkarte und muß sehr energiesparend sein, da sie von kleinen
Knopfzellen oder photovoltaischen Zellen auf der Basis von
amorphem Silizium oder auch von über eine Mikrowelle
übertragener Energie gespeist wird.
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Außerdem können aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und
der einfacheren Herstellung die beiden Enden des Systems, d.h.
das Funkfeuer und die Marke, je mit einer einzigen Antenne
betrieben werden.
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Eine auf dem Substrat der Marke aufgedruckte
Mikrowellenantenne ist sehr einfach, platzsparend und preiswert. Es
handelt sich um ein Quadrat von etwa 2 cm Seitenlänge (je nach
der Frequenz). Der Oberflächenverbrauch auf einer Marke für
zwei Antennen, eine zum Senden und eine zum Empfangen, ist
also kaum störend, und es stört nicht für das Funkfeuer,
ebenfalls zwei Antennen zu besitzen, da alle Schwierigkeiten in
einem Datenaustauschsystem auf Seiten der Marken liegen,
nämlich Raumaufwand und Stromverbrauch.
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Mehrere veröffentlichte Druckschriften beschreiben im
übrigen Hochfrequenz-Datenaustauschsysteme, in denen
mindestens eines der beiden Enden zwei Antenne hat, die
unterschiedlich polarisiert sind, gekreuzt für eine geradlinige
Polarisation und umgekehrt für eine Zirkularpolarisation. Dies
ist beispielsweise der Fall bei den Druckschriften EP-
A-346 922, WO-A-90/10200 oder FR-A-2 257 095. In all diesen
Fällen erfolgt der Datenaustausch jedoch abwechselnd, d.h. die
Antwort oder Ablesung erfolgt nach der Anfrage oder dem
Schreiben, und die Verwendung von unterschiedlichen
Polarisationen auf den Antennen hat den Sinn, Störungen durch
Reflexionen zu vermeiden, aber nicht den Sinn, einen simultanen
Datenaustausch im Sinn eines "full duplex" zu erlauben, was
eine solche Struktur voraussetzt, daß zwei Antennen im
Schreibkanal und zwei Antennen im Lesekanal gleichzeitig aktiv
sind.
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Gemäß der Erfindung enthalten die beiden Arten von
Stationen eines Hochfrequenz-Datenaustauschsystems, d.h. das
Funkfeuer und die Marken, je zwei parallele Kanäle, die je
eine Antenne besitzen, wobei ein erster Kanal für die Sendung
reserviert und ein zweiter Kanal für den Empfang reserviert
ist, was den gleichzeitigen Datenaustausch erlaubt. Das
entscheidende Merkmal dieses Systems außer der von den
Trägerfrequenzen abhängigen Struktur (10 bis 20 GHz) liegt in der
Polarisation der Antennen: Die beiden Antennen einer Station
sind kreuzweise polarisiert und die beiden Antennen, die
miteinander in Verkehr treten, eine im Funkfeuer und eine in der
Marke, haben die gleiche Polarisation oder eine kompatible
Polarisation. Aufgrund dieses Systems von gekreuzten
Polarisationen ergibt sich eine optimale Entkopplung zwischen zwei
gleichzeitig arbeitenden Kanälen von 20 bis 40 dB je nach der
Ausbildung der Antenne.
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Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein System zum
Datenaustausch mittels Hochfrequenzwellen zwischen einer
ersten Station, Funkfeuer genannt, und mindestens einer zweiten
Station, Marke genannt, die je zwei Antennen besitzen, dadurch
gekennzeichnet, daß das System gleichzeitigen Schreib- und
Lesebetrieb erlaubt und daß es aufweist:
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- einen Schreibkanal zum Einschreiben von Daten durch das
Funkfeuer in der Marke, mit einer ersten Sendeantenne des
Funkfeuers und einer ersten Empfangsantenne der Marke, wobei
diese beiden Antennen miteinander kompatible Polarisationen
besitzen,
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- einen Lesekanal zum Lesen von in der Marke eingetragenen
Daten durch das Funkfeuer, mit einer zweiten
Sende-Empfangsantenne im Funkfeuer und einer zweiten Sende-Empfangsantenne in
der Marke, wobei diese beiden Antennen miteinander kompatible
Polarisationstypen besitzen und wobei die Polarisationen der
ersten Antennen geradlinig gekreuzt oder zirkular
entgegengerichtet im Vergleich zu den entsprechenden Polarisationen
der zweiten Antennen sind.
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Die Erfindung wird nun anhand eines
Ausführungsbeispiels mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Figur 1 zeigt das elektrische Funktionsschema eines
erfindungsgemäßen Systems.
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Figur 2 zeigt das Frequenzdiagramm im Fall der
Verwendung eines einzigen Unterträgers.
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Figur 3 zeigt das Frequenzdiagramm mit zwei
Unterträgern.
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Die Figuren 4 bis 7 zeigen Beispiele für mögliche
gekreuzte Polarisationen.
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Figur 1 zeigt das Funktionsschema dieses Systems in
seiner minimalen Form: ein Funkfeuer oder Lesegerät 1 und
mindestens eine Marke 2, auch Antwortgerät oder Transponder
genannt.
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Das Funkfeuer 1 enthält mindestens:
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- eine Quelle 3 in Form eines Hochfrequenzoszillators,
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- Leistungsteiler 4 vom Wilkinsontyp oder Kopplertyp,
um die Sende- und Empfangskanäle zu speisen,
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- einen Kreis 5 zur Modulation des
Hochfrequenzträgers, der mit einer ersten Antenne 6 verbunden ist,
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- einen Empfangskreis mit einem Zirkulator 7 und zwei
Mischstufen 8 und 9 in Quadratur aufgrund einer
Verzögerungsleitung 10, wobei diese Schaltung an eine zweite
Empfangsantenne 11 angeschlossen ist.
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Die beiden Antennen 6 und 11 des Funkfeuers sind
unterschiedlich polarisiert. Beispielsweise ist eine Antenne
rechtsdrehend und die andere linksdrehend zirkular polarisiert
oder eine Antenne ist linear vertikal und die andere linear
horizontal polarisiert. Dieser letztere Fall ist in Figur 1
dargestellt.
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Der Vorteil gekreuzter Polarisationen zwischen den
beiden Antenne besteht darin, daß die damit erzielt
Entkopplung von 20 bis 40 dB je nach der Ausführungsform ein
gleichzeitiges Senden und Empfangen ohne Diaphonie zwischen den
Kanälen erlaubt.
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Das Funkfeuer enthält weiter eine Einheit 12 zur
Informationsverarbeitung, eine Stromversorgung und Verbindungen
nach außen, die die Sende- und Empfangsvorgänge des Funkfeuers
verwalten.
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Die Marke 2 enthält mindestens:
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- eine erste Empfangsantenne 13, die mit einer
Demodulationsschaltung 14 für die von der Antenne 6 des Funkfeuers 1
ausgesendete Hochfrequenzwelle verbunden ist,
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- eine zweite Sendeantenne 15, die mit einer Schaltung
16 zur Modulation einer Hochfrequenzwelle verbunden ist,
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- eine Signalverarbeitungseinheit 17, die mit den
beiden Schaltungen 14 und 16 des Modems verbunden ist und die
Stromversorgung der Schaltungen, die Verwaltung der
Schaltungen und der Identifikationsspeicher liefert, wenn das
Funkfeuer 4 ein Abfragesignal sendet.
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Wie in dem Funkfeuer 1 sind die Antennen 13 und 15 der
Marke 2 für gekreuzte Polarisationen eingerichtet, so daß ein
Höchstmaß an gegenseitiger Entkopplung erreicht wird, aber
ihre jeweiligen Polarisationen werden so gewählt, daß zwischen
den Antennen des Funkfeuers und denen der Marke, die
miteinander
verkehren, Kompatibilität besteht. Auf die kompatiblen
Polarisationstypen wird später noch eingegangen.
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Die elektrischen Schaltungen der verschiedenen
Bestandteile des Funkfeuers und der Marke werden hier nicht im
einzelnen dargestellt. Sie sind bekannt und im Handel
erhältlich oder wurden auch in den obengenannten Patentanmeldungen
beschrieben.
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Die Erläuterung des Betriebs des Systems ergibt ein
klareres Bild über seinen Aufbau.
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Während des Schreibens oder Abfragens erfolgt der
Datenaustausch auf einer ersten Gruppe von polarisationsmäßig
kompatiblen Antennen. Die Verarbeitungseinheit 12 des
Funkfeuers steuert den Modulator 5 des Sendekanals, und die erste
Antenne 6 übermittelt die Information auf der Trägerwelle. Die
Marke empfängt diese Information mit ihrer ersten Antenne 13,
demoduliert sie in der Schaltung 14 und überträgt sie auf ihre
Informationsverarbeitungseinheit 17.
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Im Lesemodus oder Antwortmodus erfolgt der
Datenaustausch auf einer zweiten Gruppe von kompatiblen Antennen, die
sich von der ersten Gruppe unterscheidet. Das Funkfeuer sendet
über seinen Empfangskanal und seine zweite Antenne 11 eine
unmodulierte Hochfrequenzträgerwelle aus. Die Marke empfängt
diese Welle über ihre zweite Antenne 15, moduliert sie im
Modulator 16, um ihr eine Information oder Antwort aufzuprägen
und sendet sie wieder über dieselbe Antenne 15 aus. Das
Funkfeuer demoduliert sie dann in dem Einkreisempfänger 7 bis 10,
der an seinen Empfangskanal angeschlossen ist.
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Die Modulation in der Marke kann auf mehrere Arten
erfolgen, aber die Variation des Reflexionskoeffizienten der
zweiten Antenne 15 scheint eine bevorzugte Lösung zu sein
aufgrund der Besonderheiten des Systems und insbesondere der
Besonderheiten der Energieversorgung einer Marke in Form einer
Kreditkarte.
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Da die beiden Betriebsarten beim Schreiben und beim
Lesen durch die gekreuzte Polarisation der beiden
Antennengruppen
entkoppelt sind, kann das System im Duplexbetrieb
arbeiten, d.h. gleichzeitig auf beiden Kanälen senden und
empfangen.
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Das globale Modulationsschema kann vorzugsweise so
gewählt werden, daß die Entkopplung zwischen dem Sendekanal
und dem Empfangskanal (20 bis 40 dB) mit dem Betrieb
kompatibel ist. Man kann beispielsweise sehr unterschiedliche
Modulationsfrequenzen für das Schreiben und das Lesen verwenden.
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Die Figuren 2 und 3 zeigen zwei Beispiele, wobei die
Modulationsfrequenzen an der Abszisse und die Leistung an der
Ordinate eingetragen sind.
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Im Schreibmodus verwendet man eine
Amplitudenmodulation. In dieser Verkehrsrichtung gibt es kein Rauschproblem
aufgrund der Amplitudenmodulation, da die von der Marke
empfangenen Pegel in der Größenordnung von -30 dBm liegen. Man
kann dann direkt mit der Frequenz des Datendurchsatzes
modulieren, d.h. einige zehn kHz (Gerade 18 in Figur 2 und 3). Es
ist günstig, einen quasi sinusförmigen Modulator 5 zu
verwenden, um zu vermeiden, daß Harmonische des Modulationssignals
erzeugt werden.
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Im Lesemodus kann man eine Amplituden- oder
Phasenmodulation der Hochfrequenz-Trägerwelle vornehmen. Es gibt
jedoch zwei fundamentale Gründe zugunsten der Verwendung eines
Unterträgers.
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Der erste Grund besteht darin, daß man unbedingt bei
sehr unterschiedlichen Modulationsfrequenzen im Vergleich zu
denen arbeiten muß, die beim Schreiben verwendet werden, um
die Störsignale aus dem Schreibkanal ausfiltern zu können.
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Der zwei Grund besteht in dem Wunsch, das zu 1/f
proportionale Rauschen der Hochfrequenzkomponenten des Systems zu
verringern. Bei den verwendeten Frequenzen von einigen GHz bis
einigen zehn GHz sind diese Komponenten GaAs-Transistoren, die
mehr Rauschen erzeugen als Si-Transistoren. Ihre Rauschkurve
ist bei 19 in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Für eine zu
erfassende Leistung in der Größenordnung von -80 dBm liegt die
Frequenz des Unterträgers der Modulation im MHz-Bereich, da
das Rauschen bei 1/f dort geringer ist.
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Es gibt mehrere Arten, wie ein Unterträger verwendet
wird. Die erste Art ist in Figur 2 dargestellt, und der
Unterträger 20 einer Frequenz in der Nähe von 1 MHz hat zwei
Seitenbänder 21: die Modulation ist eine Ja/Nein-Modulation
zwischen den beiden Seitenbändern im Rhythmus der Modulation. Der
Empfang in der Marke erfolgt mit Hilfe eines quadratischen
Detektors.
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Die zweite Art, die in Figur 3 dargestellt ist,
besteht in der Verwendung zweier Unterträger 22 und 23
benachbarter Frequenzen, beispielsweise 1 MHz und 1,2 MHz, und in
der Umschaltung im Rhythmus der Modulation. Es handelt sich
also um eine sogenannte Pseudo-FSK-Modulation (frequency shift
keying). Die Erfassung erfolgt mit Hilfe eines
phasenverriegelten und mit den Unterträgern synchronisierten Oszillators.
Eine dritte Möglichkeit besteht darin, einen Unterträger gemäß
BPSK zu modulieren (Bi Phase Shift Keying), d.h. indem
Phasensprünge im Rhythmus der Modulation durchgeführt werden.
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Die Figuren 4 bis 7 zeigen einige Möglichkeiten, um
die Entkopplung des Sendekanals vom Empfangskanal zu
realisieren. Die üblichen Symbole für die Darstellung der
Polarisationen werden in diesen Figuren verwendet.
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Man kann verwenden:
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- Antennen mit geradlinigen gekreuzten Polarisationen
auf dem Funkfeuer und der Marke (Figur 4),
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- Antennen mit zirkularen gekreuzten oder umgekehrten
Polarisationen auf dem Funkfeuer und der Marke (Figur 5),
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- Antennen mit zirkularen umgekehrten Polarisationen
auf dem Funkfeuer und geradlinigen gekreuzten Polarisationen
auf der Marke (Figur 6),
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- Antennen mit geradlinigen gekreuzten Polarisationen
auf dem Funkfeuer und Antennen mit zirkularen umgekehrten
Polarisationen auf der Marke (Figur 7).
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Diese dargestellten Polarisationen beschränken die
Erfindung nicht. Sie lassen sich mindestens verdoppeln durch
Permutation zwischen den Sendekanälen (erste Gruppe von
Antennen 6 und 13) und den Empfangskanälen (zweite Gruppe von
Antennen 11 und 15) und außerdem je nach Anwendungsfall durch
gekreuzte Permutation zwischen den Gruppen. Beispielsweise
verkehrt in Figur 7 die Antenne 6 mit einer Antenne 13 mit
rechtsdrehender Polarisation, aber sie könnte auch mit einer
Antenne mit linksdrehender Polarisation verkehren.
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Wenn die zirkularen Polarisationen und geradlinigen
Polarisationen zusammenarbeiten, erhält man einen korrekten
Betrieb des Systems unabhängig von der Lage der Marke in
Drehrichtung um die Achse zwischen Funkfeuer und der Marke.
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Wie die Schaltungen, so werden auch die Arten der
Antennenpolarisationen hier nicht im einzelnen beschrieben, da
diese bekannt sind und da verschiedene Typen von polarisierten
Antennen verwendet werden können, um ein System zu
realisieren, dessen polarisierte Antennen einen gleichzeitigen Sende-
und Empfangsbetrieb zulassen.