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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Leser, der zur Erkennung passiver
Transponder der Art bestimmt ist, die eine Antenne umfasst, welche
ausgelegt ist, um ein erstes Signal Tx des Lesers zu empfangen und
ein zweites für
den Leser bestimmtes Signal Rx zu senden. Sie betrifft insbesondere
Leser, die den Empfang von Signalen schwacher Intensität ermöglichen.
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Dem
Fachmann sind Systeme wohlbekannt, die einen Leser und mindestens
einen Transponder umfassen und die eine kontaktlose Erkennung ermöglichen.
Sie basieren auf dem Prinzip einer elektromagnetischen Kopplung.
Eines dieser Systeme wird beispielsweise in EM Microelectronic – Marin
SA (Schweiz) unter dem Titel "CID
Demokit Application note on transceiver Unit" beschrieben.
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Ein
solches System wird auch in der Patentschrift GB-A-2 300 318 beschrieben.
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Der
Leser dieses Systems umfasst eine Antenne und eine Steuerschaltung,
welche ein Signal Lx senden, das aus einem niedrigfrequenten, in
der Regel bei zwischen 9 und 150 kHz, amplitudenmodulierten Träger besteht.
Im Gegenzug empfangen sie das Signal Rx.
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Der
Leser ist außerdem
insbesondere mit einer Zeitbasis versehen, die dazu bestimmt ist,
das Signal des Trägers,
wobei der Träger
durch die Steuerschaltung moduliert wird, sowie eines Demodulators zum
Behandeln der erfassten Signale und eines Mikrocontrollers zu ihrer
Decodierung zu erzeugen. In dem Leser ist ein Abgleichkondensator
zur Bildung einer auf die Frequenzquelle abgeglichenen Resonanzserienschaltung
mit der Antenne verbunden.
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Der
Transponder empfängt
vom Leser das Signal Tx, das dem gedämpften Signal Lx entspricht und
das ihm gleichzeitig Energie, Befehle und den Takt zuführt. Nach
Beendigung des Aussendens seiner Befehle verfolgt der Leser das
Senden des Trägersignals,
jedoch ohne Modulation. So wird der Transponder ständig mit
Energie versorgt und durch den Takt gesteuert.
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Der
Transponder richtet das Signal Rx an den Leser, indem er seine Antenne
gemäß einer
kodierten Modulation, welche der zu gebenden Antwort entspricht,
periodisch kurzschließt.
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Rx
wird von der Antenne des Lesers dem Träger überlagert empfangen. Dieses
kombinierte Signal wird durch den Demodulator behandelt und dekodiert.
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Wenn
der Leser von dem Transponder durch einen Metallschirm getrennt
ist, erfolgt die elektromagnetische Kopplung nicht direkt zwischen
den beiden Antennen des Lesers und des Transponders, sondern indirekt über den
Metallschirm, in dem induktive Ströme zirkulieren (Foucaultströme).
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Die
Kopplung zwischen der Antenne des Lesers und der des Transponders
wird somit sehr schwach. Die Erfahrung hat gezeigt, dass es für die Sicherstellung
einer Verbindung unter derartigen Bedingungen unverzichtbar ist,
dass die Energie und die Modulation besonders effektiv übermittelt
werden und dass der Demodulator sehr empfindlich und in der Lage
ist, Modulationen von den Signalen Rx in der Größenordnung von 70 dB bezüglich des
Trägers zu
differenzieren.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
Lesers, der die Differenzierung auch schwacher Modulationen gestattet.
Der Demodulator, der zum Empfangen des zweiten Signals, welches
die Antenne von dem in der Nähe
angeordneten Transponder erfasst, mit der Antenne verbunden ist,
umfasst dazu zwei Signalmultiplikatoren, von denen einer ein Inverter
ist, und einen Addierer, um die von den Multiplikatoren stammenden
Informationen zu kombinieren.
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Vorteilhafterweise
umfasst der Demodulator:
- – einen durch den ersten Multiplikator
gebildeten ersten Kanal;
- – einen
parallel zu dem ersten Kanal angeordneten zweiten Kanal, der den
zweiten Multiplikator sowie einen Tiefpassfilter und eine Abtast-
und Halteschaltung umfasst;
- – einen
Addierer, der die Signale der beiden Kanäle empfängt und sie behandelt;
- – einen
Verstärkerfilter;
und
- – einen
Vergleicher.
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Der
Demodulator ist so eingerichtet, dass die von dem Addierer ausgegebenen
Signale von dem Verstärkerfilter
und dann von dem Vergleicher behandelt werden. Sie werden dann an
die Schnittstelle gerichtet, um an den Ausgang der Schnittstelle
ein Signal zu liefern, das von dem Transponder stammende Informationen
enthält.
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Insbesondere
wenn der Leser von dem Transponder durch einen Metallschirm getrennt
ist, ist es notwendig, dass die Induktivität der Antenne des Lesers so
hoch wie möglich
(in der Größenordnung
von einigen mH) bei einer guten Konzentration des Magnetfelds erhöht ist.
Dies kann dadurch erzielt werden, dass die Antenne des Lesers um
einen Kern aus weichmagnetischem Material, beispielsweise Ferrit,
gewickelt wird.
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Außerdem muss
das Lesen unempfindlich für
Probleme sein, die Variationen der Merkmale der Antenne des Lesers,
beispielsweise ihrer Zeitkonstante, herbeiführen könnten. Dazu ist der Leser so ausgerichtet,
dass der Pausenanfang durch eine Unterbrechung des Stroms und somit
des Magnetfelds bei seinem Nulldurchgang erfolgt. Die Spannung an den
Anschlüssen
der Antenne oder des Abgleichkondensators ist somit maximal und
wird für
den Anfang des nächsten
Sendens erhalten.
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Die
Befehle des Lesers fordern alle oder einen Teil der in dem elektromagnetischen
Feld vorhandenen Transponder dazu auf, ein Signal Rx zur Wiedererkennung
zu senden. Sie liegen in Binärform mit
einer Bitfolge, die sich voneinander durch ihre Dauer unterscheiden,
vor. Zwischen die Bits ist eine möglichst kurze Pause geschaltet.
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Insbesondere
sendet der Leser das Signal Lx mit konstanter Amplitude mit einer
Pausenzeit T0 oder T1,
je nachdem, ob er eine 0 oder eine 1 senden möchte, wobei das Verhältnis zwischen
T0 und T1 im Wesentlichen
gleich 1/2 ist. Die Pausenzeiten werden auf ein Minimum reduziert,
so dass die zugeführte
Energie maximal und die Messzeit so kurz wie möglich ist. Die Antenne des
Transponders empfängt das
Signal Tx, bei dem es sich um ein gedämpftes Bild des Signals Lx
handelt, mit abnehmender Sinuskurve, welche beim Anhalten und beim
Beginn des Sendens von Lx dann progressiv zunimmt. Diese Pausenzeit
muss somit ausreichend sein, damit das Signal Tx an den Anschlüssen der
Antenne des Transponders bis auf eine Spannung unterhalb der Schwellspannung
abgedämpft
wird, damit der Modulationsschaltung ermöglicht wird, sie zu erfassen.
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Wenn
sich zwischen der Antenne des Lesers und der des Transponders ein
Metallschirm befinden kann, wird eine Übermittlung bei einer Trägerfrequenz
bevorzugt, die so gering wie möglich
ist. Daraus folgt unweigerlich eine Erhöhung der Pausendauer.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Sicherstellung
einer sicheren Verbindung zwischen einem Leser und einem Transponder
und einer so weit wie möglich
reduzierten Sendezeit und gleichzeitig des Übertragens mit einem Metallschirm,
der zwischen dem Leser und dem Transponder angeordnet ist. Sie gestattet
insbesondere, die Pausendauer bezüglich der Dauer eines Bits
des Befehls auf ein Minimum zu reduzieren und die Merkmale der Antenne
des Transponders und der des Lesers unabhängig voneinander zu machen. Dazu
ist der Leser so ausgerichtet, dass das erste durch die Steuerschaltung
erzeugte Signal Tx aus einer Bitfolge gebildet wird, von denen jedes
durch einen Pause abgeschlossen wird, deren Dauer geringer oder
gleich sechs Perioden des sinusförmigen
Signals ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
ersichtlich, welche mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, in
denen:
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1 schematisch
einen Transponder und einen zur Erkennung des Transponders bestimmten Leser
darstellt;
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2 einen
Teil des Transponders aus 1 und insbesondere
seine Analogschaltung zeigt;
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3 jeweils bei a und bei b Schemata von Niedrig-
und Hochabtastern zeigt;
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4 jeweils
bei den Linien a und b Spannungskurven zeigt, die an den Anschlüssen der
Antenne des Lesers, der Antenne des Transponders und der Niedrig-
und Hochtaktsignale gemessen sind;
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5 schematisch
einen erfindungsgemäßen Leser
zeigt, von dem ein Teil eingehender in 6 gezeigt
wird.
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Das
in 1 dargestellte System umfasst einen Leser 10 und
einen Transponder 12. Der Leser 10 umfasst genauer
eine Antenne 14, die ein elektromagnetisches Signal Lx
sendet, eine Steuerelektronik 16, vorteilhafterweise einen
Mikrocontroller, sowie einen Computer 18, der mit einer
Tastatur 20 und einem Bildschirm 22 verbunden
ist.
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Der
Transponder 12 wird aus einer Antenne 24, einer
Analogschaltung 25, einer logischen Steuerschaltung 26 und
einem Speicher 27 gebildet. Die Analogschaltung 25,
die im Folgenden eingehender beschrieben wird, ist mit der Antenne
zum Empfangen des Signals verbunden, welches von der Antenne erfasst
wird. Das Signal erfüllt
drei Funktionen, nämlich:
- – elektrische
Versorgung des Transponders;
- – Zuführung eines
Taktsignals; und
- – Übertragen
der Befehle.
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Nach
der Behandlung wird das Signal von der Analogschaltung 25 an
die Logikschaltung 26 über
drei Verbindungen 28a, 28b, 28c gesendet,
welche jeweils die Übermittlung
der Energie, des Takts und der Serieneingangsfunktion erfüllen. Die
Logikschaltung 26 richtet über die Verbindung 29 vom
Typ "Serienausgang" Informationen an
die Analogschaltung 25. Sie führt jeweils über die
Verbindung 30a und 30b Informationen in den Speicher 27 ein
und holt sie von dort.
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Ausgehend
von den empfangenen und den in dem Speicher 27 enthaltenen
Informationen werden die Befehle von der Logikschaltung 26 behandelt.
Von der Logikschaltung 26 wird eine Antwort an die Analogschaltung 25 gerichtet,
damit diese ein Rücksignal
an den Leser 10 sendet.
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Wie
in 2 gezeigt, umfasst die Analogschaltung 25 einen
Kondensator 32, einen Wechselstrom/Gleichstrom-Umwandler 34,
einen Niedrigtaktabtaster 35 und einen Hochtaktabtaster 36,
einen Demodulator 38 und einen Modulator 40.
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Der
Kondensator 32 bildet mit der Antenne 24 eine
Resonanzschaltung, deren Eigenfrequenz an die Frequenz des durch
den Leser 10 gesendeten Signals Lx angepasst wird, und
an deren Anschlüsse die
Eingänge
des Umwandlers 34, der Abtaster 35, 36 und
die Ausgänge
des Modulators 40 über
die Verbindungen 33a und 33b angeschlossen sind,
so dass das von dem Transponder empfangene Signal an jeden davon
angelegt wird und das durch den Transponder gesendete Signal an
die Antenne angelegt wird. Der Demodulator 38 empfängt seine
Energie von der Antenne 24 über den Umwandler 34 und den
Takt und die Befehle über
die Abtaster 35, 36.
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In
dieser Figur sind die Versorgungsverbindung 28a, die Taktverbindung 28b und
die Serieneingangsverbindung 28c ersichtlich, welche die
Ausgänge
der Analogschaltung 25 bilden. Außerdem ist die Verbindung 29 der
Serieneingänge
ersichtlich, welche es ermöglicht,
die Informationen der Logikschaltung 26 an die Analogschaltung 25 und
insbesondere an ihren Modulator 40 zu richten.
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Der
Umwandler 34 wird auf eine dem Fachmann wohlbekannte Art
und Weise aus einem Zweiwegegleichrichter mit einem Energiekondensator, welcher
einen Spannungsstabilisator versorgt, gebildet. Er stellt die Versorgung
der gesamten Teile des Transponders 12 sicher.
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Der
Niedrigabtaster wird mittels zweier in Reihe geschalteter einfacher
Inverter 42, 43, wie in 3a gezeigt,
gebildet. Der Inverter 42 wird aus einem PMOS-Transistor 42a und
einem NMOS-Transistor 42b gebildet. Er wird durch eine
von dem Umwandler 34 bereitgestellte stabilisierte Spannung VDD
versorgt. Die Antenne 24 legt das Signal Tx an seinen Eingang 42c an.
Die Abmessungen der Transistoren 42a und 42b sind
so berechnet, dass die Schwellspannung Ub, bei der die Schaltung
umschaltet, annähernd
1 V beträgt.
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Ein
solcher Abtaster erzeugt jedes Mal, wenn Tx über 1 V liegt, ein Taktsignal,
wobei dieses Signal unterbrochen wird, wenn Tx unter dieses Niveau
fällt. In
der Folge wird das Taktsignal unterbrochen.
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Unter
normalen Betriebsbedingungen liegt die Spitzenspannung Txmax allgemein in der Größenordnung von ungefähr 12 V.
Bei einem zwischen 15 und 30 liegenden Qualitätsfaktor der Antenne sind nach
der Pause ungefähr
3 bis 6 Zyklen notwendig, damit die Spannung Tx permanent unter
1 V liegt.
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Es
ist jedoch möglich,
die Transistoren so zu bemessen, dass die Schwellspannung Ub höher liegt.
In diesem Fall kann der Transponder jedoch nicht mehr normal reagieren,
wenn das empfangene Signal nahe Ub liegt. Dadurch wird seine Empfindlichkeit
verringert.
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3b zeigt
den Hochabtaster 36 detaillierter. Er wird aus einem Eingangstransistor 44 vom PMOS-Typ
und einem Spitzenwertgleichrichter 46 gebildet, wobei beide über die
Leitung 33a, die beiden Stromquellen 48, 50 und
die beiden Inverter 52, 53, von denen 52 polarisiert
und 53 einfach ist, an die Antenne angeschlossen sind.
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Genauer
wird der Spitzenwertgleichrichter 46 aus einer Diode 46a und
einem Kondensator 46b gebildet. Sein Eingang ist mit der
Antenne 24 über die
Verbindung 33a und sein Ausgang 46c mit dem Inverter 52 verbunden,
um dort eine Spannung VData anzulegen, die gleich der Spitzenspannung
Txmax des von der Antenne über die
Verbindung 33a empfangenen Signals ist.
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Der
Inverter 52 umfasst einen Eingang 52a und einen
Ausgang 52b, einen PMOS-Transistor 52c und einen
NMOS-Transistor 52d.
Der Eingang 52a ist mit der Antenne 24 über den
Transistor 44 verbunden, welcher die Spannung der Antenne
um einen Wert, der gleich der Schwellspannung ist, nach unten verschiebt.
Der Erfassungsschwellwert Uh des Hochabtasters wird bezüglich VData
um einen Wert nach unten verschoben, der gleich der Differenz der Schwellspannungen
der PMOS-Transistoren 44 und 52c ist. Diese sind
so bemessen, dass die Schwellspannung des Transistors 52c einige
hundert mV höher
liegt als die Schwellspannung des Transistors 44. Somit
wird das Taktsignal unterbrochen, wenn die Spannung des von der
Antenne empfangenen Signals Tx um einen Wert abfällt, welcher gleich der Differenz
zwischen den beiden Schwellspannungen ist, unabhängig von dem Wert der Spitzenspannung
Txmax.
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Zum
besseren Verständnis
der Funktionsweise der Taktabtaster stellt 4 jeweils
bei den Linien a, b, c und d das von der Antenne 14 des
Lesers gesendete Signal Lx dar, wobei Tx durch den Transponder 12 empfangen
wird, sowie die Hochtaktsignale CLKh und Tieftaktsignale CLKb.
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Bei
Linie a ist ersichtlich, dass die Antenne des Lesers ein sinusförmiges Signal
sendet, welches sich periodisch unterbricht, wenn die Spannung maximal
ist.
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Wenn
die Spannung des Signals Lx konstant wird, nimmt das Signal Tx,
wie bei Linie b ersichtlich, an den Anschlüssen der Antenne 24 des
Transponders 12 mehr oder weniger schnell ab, wobei die
Geschwindigkeit umso schwächer
ist, je höher
der Qualitätsfaktor
ist. Die Spitzenspannung Txmax wird so erhöht, wie
das empfangene Signal erhöht
wird. Wenn die Spannung einen Grenzwert überschreitet, ist das Signal
jedoch gesättigt.
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Am
Anfang eines von dem Leser gesendeten Signals Lx reagieren der Hochtaktsignalabtaster 36 und
der Tieftaktsignalabtaster 35 beide sehr schnell, wie bei
den Linien c und d erkennbar. Im Gegensatz dazu wird das Hochtaktsignal
CLKh bei schlechten Empfangsbedingungen erst nach einigen von dem Leser
gesendeten Signalperioden Lx ersichtlich. Wenn der Leser 10 das
Senden des sinusförmigen Signals
unterbricht, ist ersichtlich, dass das von der Antenne 24 empfangene
Signal Tx langsam gedämpft
wird. Dies folgt aus dem Umstand, dass der Qualitätsfaktor
der oszillierenden Schaltung, welche sie mit dem Kondensator 32 bildet,
angehoben wird.
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Aufgrund
dieser langsamen Dämpfung
sind mehrere Perioden notwendig, bevor der Tiefabtaster 35 reagiert,
damit das von dem Hochabtaster 36 ausgegebene Signal CLKh
synchron unterbrochen wird.
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Somit
wird deutlich, dass es in dem Fall eines regelmäßigen und intensiven empfangenen
Signals ausreicht, in dem Transponder einen Hochabtaster anzuordnen,
um die Pausenzeit erheblich zu reduzieren. Im Gegensatz dazu ist
es, wenn das empfangene Signal nicht gesättigt ist, wünschenswert,
Hoch- und Niedrigabtaster anzuordnen, welche es somit ermöglichen,
eine sehr kurze Pausenzeit sicherzustellen. Somit ist es möglich, die
Maximalenergie und eine beträchtliche
Anzahl von Informationen zu übermitteln,
auch wenn die Frequenz des Trägers niedrig
ist.
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5 und 6 zeigen
detaillierter die Struktur der Steuerelektronik 16, welche
den Leser 10 ausstattet.
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Die
Steuerelektronik 16 wird aus einer Zeitbasis 54,
einem Modulator 56, einem Demodulator 58, einem
Dekodierer 60, einer Kommunikationsschnittstelle 62 und
einer Steuerschaltung 64 gebildet.
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Die
Zeitbasis 54 ist mit der Steuerschaltung 64 über eine
Verbindung 54a verbunden, über die sie ein sinusförmiges Signal
konstanter Frequenz liefert, welche vorteilhafterweise zwischen
9 und 150 kHz liegt, die als Träger
dient. Die Steuerschaltung 64 empfängt vom Modulator 56 über eine
Verbindung 56a Informationen, die ihr die Modulation des
Trägersignals
ermöglichen,
um die Informationen über
einen in der Nähe
des Lesers angeordneten Transponder über die Antenne 14,
die mit der Steuerschaltung 64 mittels einer Verbindung 64a verbunden
ist, zu adressieren.
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Die
Antenne 14 ist über
eine Verbindung 14a mit dem Demodulator 58 verbunden.
Wenn der Transponder auf die Informationen des Lesers reagiert,
wird das Signal, auf das sie sich richtet, von der Antenne 14 erfasst
und von dem Demodulator 58 über die Verbindung 14a empfangen.
Dieses Signal wird durch den Demodulator 58 behandelt und
die Informationen, die es enthält,
werden über
eine Verbindung 58a an den Dekodierer 60 gerichtet.
Der Dekodierer 60 interpretiert die Informationen auf der
Basis der gespeicherten Daten und überträgt sie über eine Verbindung 60a an
die Schnittstelle 62. Die Schnittstelle 62 ist über eine
Verbindung 62a nach außen verbunden,
beispielsweise durch eine Leitung RS 232, um die Übertragung
der Befehle und der Informationen an die Mensch-Maschinen-Schnittstellen sicherzustellen.
Sie ist außerdem über eine
Verbindung 62b mit dem Modulator 56 verbunden.
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Wenn
ein Nutzer wünscht,
ein mit einem Transponder ausgestattetes und in dem Feld des Lesers 10 angeordnetes
Objekt zu erkennen, gibt er mittels der Tastatur 20 einen
Befehl ein. Dieser Befehl wird durch den Computer 18 bearbeitet
und über die
Verbindung 62a an die Steuerelektronik 16 gesendet.
Die Schnittstelle 62 richtet diesen Befehl an den Modulator 56.
Dieser wirkt mit der Steuerschaltung 64 zusammen, um das
von der Zeitbasis 54 ausgegebene Trägersignal zu modulieren.
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Wie
weiter oben bereits erläutert,
ist es schwierig, die von der Antenne 14 empfangenen Signale
zu lesen, da sie sich auf sehr schwachem Niveau befinden. Der Demodulator 58,
der in 6 detailliert dargestellt ist, ermöglicht die
Sicherstellung eines effizienten Lesens. Er umfasst erste und zweite Kanäle 66 und 68,
die parallel angeordnet sind, einen Addierer 70, der mit
den Ausgängen 66 und 68 verbunden
ist, einen Verstärkungsfilter 72 und
einen Vergleicher 74, der in Reihe an dem Ausgang des Addierers 70 angeordnet
ist.
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Der
Kanal 66 wird durch einen Multiplikator 76 gebildet.
Der Kanal 68 umfasst einen Multiplikator vom Invertertyp 78,
einen Tiefpassfilter 80 und eine Abtastschaltung 82.
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Die
beiden Kanäle 66 und 68 sind über die Verbindung 14a zusammen
mit der Antenne verbunden. Sie empfangen somit beide das von der
Antenne 14 kommende Signal UR(t). Dieses modulierte Signal
umfasst zwei Komponenten, eine entspricht dem gesendeten Signal,
die andere entspricht dem erfassten, von dem Transponder kommenden
Signal. Die Funktion des Dekodierers 58 besteht darin,
das Signal X(t), welches der von dem Transponder kommenden Komponente
entspricht, zu extrahieren.
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In
einem ersten Arbeitsschritt wird das Signal durch die Multiplikatoren 76 und 78 mit
sich selbst multipli ziert, wobei Letzterer außerdem das sich ergebende Signal
invertiert. Anders ausgedrückt
ist das von dem Multiplikator 76 ausgegebene Signal US(t)
gleich dem Quadrat von UR(t), so dass diese Ausgabe des Multiplikators 78 gleich
ist, aber ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist.
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Das
Signal –US(t),
welches von dem Multiplikator 78 ausgegeben wird, wird
anschließend
auf klassische Weise mittels eines Tiefpassfilters 80 und danach
durch die Abtastschaltung 82 behandelt.
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In
dieser so beschriebenen Vorrichtung ist der Leser 16 dem
Transponder übergeordnet.
Anders ausgedrückt
ist der Leser zu jeder Zeit in der Lage zu wissen, wann der Transponder
bereit ist, auf eine Abfrage zu antworten. Genau vor Beginn des Antwortsignals
speichert die Abtastschaltung 82 den Mittelwert des Signals –US(t – Δt), welches
von dem Filter 80 bereitgestellt wird. Das Ergebnis dieser
Addition ermöglicht
nach Verstärkung
und Filterung durch den Verstärkerfilter 72 und
anschließendem Vergleich
durch den Vergleicher 74, das Extrahieren von X(t), welches
alle von dem Transponder ausgegebenen Informationen enthält, während das
von dem Träger
stammende Signal entfernt wird.
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Es
ist ersichtlich, dass der Transponder und der Leser, so, wie sie
beschrieben wurden, den Gegenstand zahlreicher Variationen bilden
können, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Obwohl
die Trägerfrequenz
verhältnismäßig niedrig
sein kann, ist es dank der Eigenschaften des erfindungsge mäßen Lesers,
der mit den beschriebenen Transpondern eingesetzt wird, möglich, passive Transponder
unter besonders ungünstigen
Bedingungen über
einen Metallschirm auf sichere und schnelle Art und Weise zu lesen.