DE10138218A1

DE10138218A1 - Verfahren zur Übertragung von Daten

Info

Publication number: DE10138218A1
Application number: DE10138218A
Authority: DE
Inventors: Ralf Hediger; Volkhard Mueller
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2021-08-04
Also published as: US6882826B2; FR2828351A1; GB2379845A; GB2379845B; GB0216759D0; DE10138218B4; ITMI20021556A1; US20030027542A1; FR2828351B1

Abstract

Nach den bekannten Verfahren zur Übertragung von Daten ist die Zuverlässigkeit der Datenübertragung insbesondere bei ungünstigen Übertragungsbedingungen gering. DOLLAR A Nach dem neuen Verfahren wird die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht, indem bei einer amplitudenmodulierten Trägerwelle eine Korrektur der Zeitdauer der gemessenen Modulationsintervalle durchgeführt wird. Ferner lassen sich durch die Korrektur die Zeitdauer der Modulationsintervalle verkleinern und die Datenrate erhöhen bzw. die Datenrate an die Übertragungsbedingungen anpassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen einer Basisstation und einem Transponder, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Druckschrift EP 473 569 B1 bekannt. Hierbei werden mittels einer amplitudenmodulierten Trägerwelle digitale Daten zwischen einer Basisstation und einem passiven Transponder ausgetauscht. Die einzelnen Bits eines Datenwortes bestehen aus einer Zeitspanne, in der das elektromagnetische Feld eingeschaltet und einer Zeitspanne, in der das elektromagnetische Feld (Feldlücke) ausgeschaltet ist, wobei die Feldlücke als Separator zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bits dient. Die Wertigkeit der Bits bestimmt sich aus der Länge der Zeit, in der das elektromagnetische Feld eingeschaltet ist. Ferner wird bei dem passiven System aus dem Trägerfeld mittels Absorptionsmodulation die Energie für den Transponder erzeugt.

Im Allgemeinen werden Verfahren zur Übertragung von Daten im Bereich der Transponder dazu benutzt, eine Identifikation durchzuführen und hierfür spezielle Daten zu lesen oder im Transponder zu speichern, sowie einen Authentifizierungsprozess oder Antikollisionsprozess auszuführen. So muß bei Anwendungen im KFZ-Bereich der Authentifikationsprozess zwischen Basisstation und Transponder innerhalb einer Zeitspanne von etwa 100 ms abgeschlossen sein, damit der Anwender keine Verzögerung bemerkt. Hierzu müssen in kurzen Zeitspannen eine Vielzahl von Datenwörtern mittels einer Trägerwelle übertragen werden, wobei im Bereich der passiven Transpondern als Modulationsverfahren insbesondere die Amplitudenmodulation bzw. die Pulsweitenmodulation (PWM) eingesetzt wird. Grundlage der Datenübertragung zwischen Transponder und Basisstation bildet ein Datenprotokoll, das unter anderem die Anzahl der Wertigkeiten je Datenbit definiert, wobei, im Unterschied zur einer durch den Modulationsindex der Amplitude codierte Wertigkeit der Datenbits, bei einer PWM codierten Trägerwelle die Wertigkeiten der Datenbits ausschließlich mittels der Zeitdauer der Modulationsintervalle definiert sind. Bei einer PWM codierten Trägerwelle werden durch die Zeitdauer der Modulationsintervalle die unterschiedlichen Kommunikationsbedingungen, wie beispielsweise das An- und Abschwingverhalten der jeweiligen Empfangsspulen, berücksichtigt. Des Weiteren sind die einzelnen Modulationsintervalle durch Zwischenbereiche getrennt, um eine eindeutige Zuordnung der Wertigkeit der Datenbits durchzuführen. Liegt im Empfänger die Zeitdauer des detektierten Modulationsintervalls in einem Zwischenbereich, wird ein Lesefehler an den Sender zurückgemeldet und von dem Sender das entsprechende Datenwort wiederholt. Eine weitere Art von Lesefehlern tritt insbesondere bei ungünstigen Empfangsbedingungen auf, indem eine zu kleine oder zu große Zeitdauer des Modulationsintervalls gemessen und damit eine falsche Wertigkeit des Datenbits bestimmt wird. Dieser Lesefehler wird läßt sich durch eine Prüfsumme erkennen.

Nachteil der bisherigen Verfahren ist, daß die Datenrate durch Lesefehler reduziert wird. Bei zeitkritischen Anwendungen macht sich dies insbesondere bei den weiter steigenden Sicherheitsanforderungen bei einer Authentifizierung störend bemerkbar. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Übertragung von Daten anzugeben, das die Zuverlässigkeit der Datenübertragung bei einer drahtlosen Kommunikation erhöht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Günstige Ausgestaltungsformen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Hiernach besteht das Wesen der Erfindung darin, bei einer kontaktlosen Kommunikation zwischen einer Basisstation und einem Transponder die Länge des empfangenen Signals mittels eines berechneten Korrekturwertes zu verändern. Hierzu wird bei einer elektromagnetischen Trägerwelle, auf die mittels einer Amplitudenmodulation Datenbits moduliert werden, die Zeitdauer wenigstens eines Modulationsintervalls bestimmt und mit einem Sollwert verglichen, und aus der Abweichung des Istwertes der Zeitdauer des Modulationsintervalls von dem Sollwert ein Korrekturwert berechnet wird, Und mit dem Korrekturwert die Istwerte der Zeitdauer der Modulationsintervalle der nachfolgenden Datenbits korrigiert werden.

Ein Vorteil des neuen Verfahrens besteht darin, daß durch die Korrektur die Zuverlässigkeit der Datenübertragung zwischen der Basisstation und dem Transponder erhöht wird, indem die Abhängigkeit der Zeitdauer der Modulationsintervalle von den Übertragungsverhältnissen reduziert wird. Insbesondere läßt sich die Anzahl von Lesefehlern stark verringern, bei denen die gemessene Zeitdauer des Modulationsintervalls innerhalb eines Zwischenbereichs liegt, da die durch die Änderung der Amplitude in der Empfangsspule bedingte Erhöhung der Intervallzeitdauer kompensiert wird. Ferner lässt sich die Datenrate durch die Verringerung, der im Datenprotokoll definierten Zeitdauer der Modulationsintervalle für die Datenbits und die Reduzierung der Abstände zwischen den einzelnen Datenbits. Des Weiteren verringert sich bei einer PWM codierten Trägerwelle die Wahrscheinlichkeit, daß durch eine zu kleine oder eine zu große Zeitdauer des gemessenen Modulationsintervalls, beispielsweise bei ungünstigen Empfangsverhältnissen, die Wertigkeit eines oder mehrerer Datenbits falsch bestimmt wird. Für eine PWM codierte Trägerwelle läßt sich die Datenrate besonders erhöhen, da sich außer der Größe der Zwischenbereiche und auch die Zeitdauer der im Protokoll vereinbarten Modulationsintervalle für die einzelnen Wertigkeiten des Datenbits reduzieren, und damit die Erhöhung der Datenrate proportional zu der Anzahl der Wertigkeiten eines Datenbits d. h. bei einer n-fachen Wertigkeit besonders groß ist. Des Weiteren ist die Größe des Korrekturvertes proportional zu der Größe des Modulationsindex der Trägerwelle, d. h. für eine PWM codierte Trägerwelle besonders hoch. Ferner hängt die Größe des Korrekturwertes von den Empfangsbedingungen, d. h. dem An- und Abschwingverhalten der Empfängerspule, sowie der Größe des Schwellenwertes oberhalb dessen eine Trägerwelle detektiert wird.

Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, daß es besonders vorteilhaft ist wenn, die Berechnung des Korrekturwertes am Beginn der Datenübertragung beispielsweise mittels eines Prüfbits einer vorgegebenen Wertigkeit durchgeführt wird. Sofern sich während der gesamten Datenübertragung die Kommunikationsverhältnisse nur wenig ändern, ist es hinreichend den Korrekturwert einmalig zu bestimmen. Ändern sich die Kommunikationsbedingungen zwischen dem Transponder und der Basisstation, ist es vorteilhaft die Ermittlung des Korrekturwertes mehrfach während der Datenübertragung oder bei besonders schnellen Änderungen auch mehrfach während einer Datensequenz durchzuführen. Hiermit läßt sich auch bei schnellen Änderungen der Kommunikationsbedingungen eine zuverlässige Datenübertragung sicherstellen.

In einer anderen Weiterbildung des Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn bei passiven Transpondern die Berechnung des Korrekturwertes ausschließlich im Transponder durchgeführt wird, da ein passiver Transponder für das Zurücksenden des Antwortsignals eine Belastungsmodulation des von der Basisstation eingeschalteten Trägerfeld durchgeführt und die damit erreichbare Amplitudenänderung in der Spule der Basisstation sehr klein ist, während im Unterschied dazu die Amplitude in der Spule des Transponders sich in Abhängigkeit des Modulationsindexes der Basisstation stark ändert und bei einer PWM codierten Trägerwelle besonders groß ist, da im Allgemeinen der Modulationsindex zwischen 0% und 100% wechselt.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist es besonders vorteilhaft, wenn zur Bestimmung der Zeitdauer des Modulationsintervalls die innerhalb des Modulationsintervalls liegenden Feldtakte der Trägerwelle beispielsweise mit einem Zähler gezählt werden. Aus der Differenz der gemessenen Anzahl der Feldtakte und einem Sollwert, der beispielsweise in einem Datenspeicher abgelegt ist, läßt sich der Korrekturwert für die nachfolgenden Modulationsintervalle mit geringem Hardware und oder Software Aufwand bestimmen. Insbesondere für passive Transponder ist dies aufgrund der fehlenden eigenen Energieversorgung sehr vorteilhaft.

In einer anderen Weiterbildung des Verfahrens lässt sich aus der Höhe der Korrekturwertes eine den jeweiligen Übertragungsbedingungen angepasste Datenrate erzielen. Hierzu wird dem Sender (Transponder oder der Basisstation) die Höhe des Korrekturwertes mittels eines Quittiersignals mitgeteilt. Nachfolgend wird von dem Sender das Übertragungsprotokoll geändert, indem die Zeitdauer der Modulationsintervalle und oder die Zeitdauer der Zwischenbereiche verändert werden.

In einer anderen Weiterbildung des Verfahrens wird von einem passiven Transponder ein Quittiersignal gesendet, sofern die Höhe der Versorgungsspannung im Transponder einen vorgegebenen Wert unter- oder überschreitet. Nachfolgend verändert die Basisstation das Protokoll zur Datenübertragung, indem sie die Zeitdauer der Modulationsintervalle und oder die Zeitdauer der Zwischenbereiche verändert. Damit läßt sich die Energieversorgung bzw. die Reichweite der Kommunikation in Verbindung mit den Datenraten einstellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit mehreren schematisierten Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen, die
Fig. 1a eine Anordnung mit einer Basisstation und einem passiven Transponder, und
Fig. 1b ein Teil eines Übertragungsprotokolls für eine PWM codierte Trägerwelle mit einer nfachen Wertigkeit eines Datenbits, und
Fig. 2a eine von der Basisstation ausgesendetes PWM codiertes Signal, und
Fig. 2b die in dem Transponder gemessene Zeitdauer der Modulationsintervalle des Signals aus der Fig. 2a, und
Fig. 2c die in dem Transponder korrigierte Zeitdauer der Modulationsintervalle des Signals aus der Fig. 2b.
In Fig. 1a ist eine Anordnung zur Datenübertragung von einer Basisstation BS und einem passiven Transponder TR abgebildet. Hierbei entnimmt der Transponder TR seine Energie mittels Absorptionsmodulation aus der Trägerwelle der Basisstation BS. Derartige Systeme werden im Bereich des Kraftfahrzeug (KFZ) eingesetzt, wobei der Transponder im Türschlüssel und die Basisstation BS im Auto eingebaut ist. Die Basisstation BS weist einen integrierten Schaltkreis IC1 auf, der eine Sende- und Empfangseinheit SE1 steuert. Zur Übertragung von Daten sendet die Basisstation eine amplitudenmodulierte Trägerwelle aus, die von dem Transponder TR mittels einer Sende- und Empfangseinheit SE2 empfangen und zur Auswertung an eine Steuereinheit CON weitergeleitet wird, wobei die Sende- und Empfangseinheit SE2 außerdem die zur Versorgung des Transponders TR notwendige Energie absorbiert. Ferner besteht die integrierte Schaltung IC2 aus einer Steuereinheit CON und einer Speichereinheit SP, in der unter anderem die Kenngrößen des zur Datenübertragung verwendeten Protokolls abgelegt sind. Erkennt der Transponder TR eine Datenübertragung wird zu Beginn der Datenübertragung innerhalb der Steuereinheit CON die Zeitdauer des Modulationsintervalls einer vorgegebenen Wertigkeit bei einem von der Basisstation gesendeten Datenbits oder Prüfbits bestimmt und mittels des in der Speichereinheit SP abgelegten Sollwertes eine Berechnung des Korrekturwertes durchgeführt, wobei die Größe des Korrekturwertes proportional zu der Größe des Modulationsindexes der Trägerwelle und ferner von dem An- und Abschwingverhalten der Sende- und Empfangseinheit SE2 abhängt.
In den weiteren Ausführungen wird das erfindungsgemäße Verfahren an einer PWM codierten Trägerwelle erläutert, wobei der Modulationsindex der Trägerwelle zwischen 0% und 100% wechselt, d. h. die Dateninformation bzw. die Wertigkeit der Datenbits ist über die Zeitdauer der einzelnen Modulationsintervalle codiert. Ferner wird die Zeitdauer des jeweiligen Modulationsintervalls aus der gemessenen Zahl der Feldtakte bestimmt, in der das Trägersignal im Transponder einen Spannungswert oberhalb eines Schwellwertes erzeugt.
In Fig. 1b ist der Ausschnitt eines Protokoll zur Datenübertragung für eine PWM codierte Trägerwelle dargestellt. Hierbei ist die Zahl der Feldtakte für eine n-fache Wertigkeit eines Datenbits aufgetragen. Liegt die während eines Modulationsintervalls gemessene Zahl der Feldtakte innerhalb eines schraffierten Zwischenbereichs F0, F1 oder FN wird von der Steuereinheit CON ein Lesefehler erkannt, liegt die gemessene Anzahl der Feldtakte in einem der nichtschraffierten Bereiche 0, 1, N wird dem gesendeten Datenbit von der Steuereinheit CON eine Wertigkeit zugewiesen. Ferner ist die niedrigste Wertigkeit "0" des Datenbits dem niedrigsten Wertebereich T0min bis T0max zugeordnet, der zweiten Wertigkeit "1" ist der Bereich T1min bis T1max zugeordnet und schließlich der n-ten Wertigkeit des Datenbits ist der Wertebereich Tnmin bis Tnmax zugeordnet.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß mittels der erhöhten Zuverlässigkeit die Zeitdauer der Zwischenbereiche F0 bis FN sowie die Wertigkeitsbereiche 0 bis N wesentlich verkleinern lassen, um damit die Datenrate proportional zu der n-fachen Wertigkeit des Datenbits zu erhöhen. Durch die gleichzeitige Verringerung der Lesefehler wird auch bei großen Datenmengen eine kurze Kommunikationszeit insbesondere wenn sich mehrere Transponder im Feld einer Basisstation befinden, erzielt.
In Fig. 2a-c ist für eine PWM codierte Trägerwelle mit einer zweifachen Wertigkeit die Korrektur der gemessenen Zeitdauer der Modulationsintervalle dargestellt. Hierbei ist jeweils die Signalhöhe S über der Zeit t der Trägerwelle dargestellt. Die Auswertung des Signals wird mittels eines Protokolls wie in Zusammenhang mit der Fig. 1b erläutert, durchgeführt.
In der Fig. 2a ist ein von der Basisstation BS ausgesendetes Signal BSS dargestellt, das eine Datensequenz bestehend aus einer Abfolge von Wertigkeiten von einzelnen Datenbits zeigt und Teil eines Datenwortes ist. Innerhalb der Datensequenz sind die einzelnen Bits durch sogenannte Feldlücken getrennt, während diesen Zeiten ist das Signal BSS ausgeschaltet.
In Fig. 2b ist das von der Sende- und Empfangseinheit SE2 im Transponder TR detektierte Signal TRE dargestellt. Hierbei sind die Zeitdauer der Modulationsintervalle X1, X2, X3 und bis X4 für die Wertigkeiten der einzelnen Datenbits um einen konstanten Wert D vergrößert, welches im Wesentlichen durch das Ab- und Anschwingverhalten der Spule in der Sende- und Empfangseinheit SE2 bedingt ist. Ferner wird durch den konstanten Wert D die Feldlücke verkleinert und der relative Unterschied in den Zeitdauer der Modulationsintervalle für die beiden Wertigkeiten "0" und "1" verringert. Wird von der Steuereinheit CON eine Zuordnung der gemessenen Zeitdauer zu den im Protokoll definierten Wert durchgeführt, werden von der Steuereinheit ausschließlich Lesefehler erkannt, da die gemessene Zeitdauer X1 bis X4 innerhalb der Zwischenbereiche F0 und F1 des Protokolls liegen.
In Fig. 2c ist ein Signal TRC dargestellt, das von der Steuereinheit CON durch Korrektur des Signals TRE erzeugt wird. Hierzu wird bei dem Signal TRE die Zeitdauer des Modulationsintervalls X1, dessen Wertigkeit vorgegeben ist, mit dem Sollwert der in der Speichereinheit SP abgelegt ist, verglichen und den Korrekturwert D berechnet, mit dem die nachfolgende Zeitdauer der Modulationsintervalle X2, X3 und X4 verkleinert werden. Anschließend wird von der Steuereinheit CON die Auswertung des Datensignals durchgeführt. Durch die Korrektur ist die Zeitdauer der Modulationsintervalle im Signal TRC gleich groß wie die Zeitdauer der Modulationsintervalle des von der Basisstation ausgesendete Signal BSS.
Ein Vorteil des neuen Verfahrens besteht darin, daß mittels der Korrektur die von Transponder zu Transponder unterschiedlichen An- und Abschwingverhalten der Sende- und Empfangseinheiten korrigieren lassen. Des weiteren läßt sich die Variation in der Zeitdauer der Modulationsintervalle, die sich aus der Höhe der Schwellwerte ergibt in Verbindung mit einer Änderung der Kommunikationsbedingungen und einer Änderung des Wertes der Versorgungsspannung ergibt, unterdrücken. Ferner lässt sich die Reichweite erhöhen, da bei größerer Kommunikationsentfernung zwischen Transponder und Basisstation, die detektierte Amplitude der Trägerwelle entsprechend der Nahfeldnäherung schnell abnimmt, und sich mittels eines vom Transponder an die Basisstation gesendeten Quittiersignals die Basisstation die Zeitdauer der Modulationsintervalle zu vergrößern. Im zeitlichen Mittel einer Datenübertragung wird damit der Energiegewinn des Transponders erhöht, d. h. die Kommunikatiorisreichweite wird damit gesteigert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei einer ausreichenden Energieversorgung aus dem Feld der Basisstation der Transponder die Basisstation veranlasst, die Modulationsintervalle zur verringern, um die Kommunikationszeit zu verkürzen. Des Weiteren lässt sich die Datenrate wieder erniedrigen, sofern die Kommunikationsbedingungen bzw. die Empfangsbedingungen im Verlauf einer Datenübertragung dies erfordern, und damit eine adaptive Regelung der Baudrate erzielen.

Claims

1. Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen einer Basisstation (BS) und einem Transponder (TR) mittels einer elektromagnetischen Trägerwelle, auf der mittels Amplitudenmodulation Datenbits moduliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Zeitdauer eines Modulationsintervalls (X1) eines Datenbits bestimmt und mit einem Sollwert verglichen wird,

- aus der Abweichung (D) des Istwertes der Zeitdauer des Modulationsintervalls (X1) von dem Sollwert ein Korrekturwert berechnet wird, und

- mit dem Korrekturwert die Istwerte der Zeitdauer der Modulationsintervalle (X2, X3, X4) der nachfolgenden Datenbits korrigiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Korrekturwertes am Beginn einer Folge einer aus Datenbits bestehenden Datensequenz durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Korrekturwerts mittels einer vorgegebenen Wertigkeit eines Prüfbits durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Korrekturwerts innerhalb einer Datensequenz mehrfach durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem passiven Transponder (TR) die Berechnung des Korrekturwertes im Transponder (TR) durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Zeitdauer des Modulationsintervalls (X1) die innerhalb des Modulationsintervalls liegenden Feldtakte der Trägerwelle gezählt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transponder (TR) ein Quittiersignal sendet und die Basisstation (BS) die Zeitdauer der Modulationsintervalle der nachfolgenden Datensequenz verändert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß von einem passiven Transponder (TR) ein Quittiersignal gesendet wird, wenn die Höhe der Versorgungsspannung einen vorgegebenen Wert unter- oder überschreitet.