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Die Erfindung betrifft eine Transponderantenne,
ein Transponderantennensystem sowie ein Transpondersuystem gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen
Patentansprüche.
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Transpondersysteme weisen zum einen Transponder
auf und zum anderen ein Transponderantennensystem. Mit dem Transponderantennensystem
kann der Durchgang des Transponders in einem bestimmten vom Transponderantennensystem
definierten und überwachten
räumlichen
Bereich qualitativ erkannt und auch einem individuellen Transponder
zugeordnet werden. Anwendungsbeispiele für Transpondersysteme sind die
Zeitmessung von Läufern,
bei spielsweise bei Stadtmarathons (am Start, am Ziel und beispielsweise
bei 10, 20, 30 und 40 km), die Überwachung
von Büchern
der Bibliothek einer juristischen Fakultät, um Diebstahl zu vermeiden,
Aktenverfolgung in großen
Gebäuden
und ähnliches. Transpondersysteme
weisen klein bzw. flach gebaute Transponder, vorzugsweise ohne eigene
Stromversorgung auf, die mit dem zu überwachenden Individuum (Läufer, Buch,
Akte) physisch verbunden sind, und stationäre Transponderantennen bzw. Transponderantennensysteme,
die in bestimmten Raumbereichen (Pforten, Eingänge, Start, Ziel,...) angebracht
sind, um den Durchgang des zu verfolgenden Individuums (mit dem
der jeweilige Transponder physisch verbunden ist) zu erkennen.
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1G zeigt
schematisch einen bekannten Transponder 10. Dargestellt
ist die Rückseite
einer Startnummer eines Langstreckenlaufs. Ein Läufer heftet sich zu seiner
Individualisierung die Startnummer an sein Hemd und nimmt dadurch
automatisch den Transponder 10 auf der Rückseite
der Startnummer mit. Der Transponder 10 weist eine Induktionswicklung 17 auf,
die im gezeigten Beispiel aus drei Windungen besteht, die an der
Stelle 11 durch eine Überbrückung geschlossen
sind. An der Stelle 12 ist die Wicklung ebenfalls unterbrochen.
Hier sitzt eine elektronische Schaltung in Form eines flachen Chips, deren
Funktion weiter unten erläutert
wird. Mit 18 sind Metallisierungen gezeigt, die keine unmittelbare Bedeutung
für die
Funktion des Transponders haben. Sie dienen der Lageerkennung, der
Abstandshaltung bei Aufwicklung vieler gezeigter Transponder etc. Das
gezeigte Ausführungsbeispiel
ist flach und biegsam.
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Der Transponder 10 hat keine
eigene Stromversorgung. Er bezieht Leistung aus dem von der Induktionsschleife 17 umfangenen
Magnetfeld, das einen Wechselstrom induziert. Mit dieser Leistung
wird der Chip an der Stelle 12 betrieben. Der Chip 12 trägt eine
individuelle Kennung. Die Kennung ist einmalig für jedes Transponderindividuum 10 und
ist somit herstellerseitig eingeprägt. Es kann sich beispielsweise
um eine 15stellige Dezimalzahl handeln (die natürlich binär kodiert sein kann). Der Chip 12 ist
eine durchaus komplexe Schaltung. Er
- – steuert
und bewirkt seine eigene Energieversorgung, indem er die von der
Induktionsschleife 17 empfangene Energie geeignet wandelt,
z. B. gleichrichtret und glättet,
- – kann
gegebenenfalls dem von der Induktionsschleife 17 empfangenen
Signal aufmodulierte Information entnehmen und speichern z. B. eine ihm
vom Anwender oder System zugewiesene Kennung, Protokollinformationen,
Information zur Sendeleistung des Transponders etc.,
- – kann
interne Steuerungen auch nach Maßgabe der empfangenen Information
und/oder nach Maßgabe
der ihm eigenen Kennung vornehmen, z. B. Zeitsteuerungen, Steuerung
der Sendeleistung, und
- – kann
seinerseits den Stromverlauf insbesondere zeitgesteuert in der Induktionsspule 17 so
modulieren, daß dadurch
vom Transponder ein magnetisches Signal abgestrahlt wird, das extern
wieder empfangen werden kann, wobei dem abgestrahlten Magnetfeld
insbesondere die Transponderkennung aufmoduliert wird.
- Anstelle von oder zusätzlich
zu den oben beschriebenen magnetischen Dipolen in Transpondern,
können
auch elektrische Dipole verwendet werden, die dann primär das elektrische
Feld zur Energiegewinnung und zum Datenaustausch nutzen.
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Ein bekanntes Transponderantennensystem ist
schematisch in 1F gezeigt.
Hier sind zwei Transponderantennen 13 vorgesehen, die stationär vorhanden
sind. Es kann jedoch auch mit einer einzigen Antenne 13 gearbeitet
werden. Wenn zwei Antennen 13 vorgesehen sind, sind sie
so aufgestellt, daß sie
zwischen sich einen Durchgang 17 lassen, der von den zu überwachenden
Individuen passiert werden kann bzw. muß. Schematisch ist dies in 1A gezeigt. Sie stellt in
Draufsicht beispielsweise die Situation am Eingang einer Bibliothek
dar. Antennen 13 sind links und rechts einer Tür 17 aufgestellt,
die von Individuen I1 bis I4 passiert wird, wobei unter "Individuen" hier die zu überwachenden
Objekte verstanden werden, also beispielsweise die Bücher einer
Bibliothek. Jedem Buch ist dann in den Buchdeckel ein einzelner
Transponder 10 eingeklebt. Die Antennen 13 erzeugen
ein Wechselfeld, das von der Induktionsschleife 17 des
Transponders 10 erfaßt und
wie oben beschrieben verwendet wird. Es entsteht somit ein bestimmter
Bereich einer bestimmten Breite W und einer bestimmten Länge L, in
dem der Aufenthalt eines Transponders 10 erkannt und registriert
werden kann.
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Die Ansteuerung der Antennen 13 erfolgt
wie folgt: Ihnen wird ein elektrisches Wechselsignal zugeführt, das
das magnetische Wechselfeld erzeugt. Das Signal wird von einem Generator 15 erzeugt
und gegebenenfalls über
einen Power-Splitter 14 den beiden Antennen 13 zugeführt. Die
Antennen 13 empfangen auch das von den Trans pondern wie
oben beschrieben modulierte magnetische Wechselfeld und leiten es
rückwärts weiter,
so daß es
von einem Empfänger 16 empfangen
und ausgewertet werden kann. Insbesondere kann jeder Transponder 10 dem
von ihm erzeugten und abgestrahlten Signal seine individuelle Kennung
aufmodulieren. Diese Kennung wird vom Empfänger (auf der analogen Seite)
demoduliert, gegebenenfalls digitalisiert und dann (auf der digitalen
Seite) erkannt und beispielsweise einem Anwenderindividuum (Läufer "Heinz Huber", Buchtitel "Palandt: BGB", Akte "302-X3439") zugeordnet, was Bezug
nehmend auf eine vom Anwender (Veranstalter, Eigentümer der
Bibliothek, Kanzlei) angelegte Datenbank erfolgen kann. In dieser
Datenbank ist die Zuordnung zwischen Anwenderindividuen (die Teilnehmer
eines Stadtlaufs, die Bücher
einer Bibliothek, die Akten einer Kanzlei) und den individuellen
Transpondern abgelegt. Denkbar ist aber auch, daß vorab dem Transponder die
direkte Individuenkennung mitgeteilt wurde, so daß diese
dann dem abgestrahlten Signal aufmoduliert und so unmittelbar versendet und
empfangen werden kann.
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Nachfolgend werden weitere Randbedingungen
erläutert,
die für
ein Transpondersystem gelten:
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- – Da
die Transponder 10 oft keine eigene Energieversorgung haben
(sog. passive Transponder) und ihre Schaltung bzw. ihr Aufbau häufig bauklein
bzw. flach sind, damit der Transponder 10 mit dem zu erkennenden
Individuum verbunden werden kann, ist die Signalstärke des
Transponders absolut begrenzt und insbesondere nicht proportional
zur Intensität
der Einstrahlung des Wechselfelds von der Antenne 13 zum
Transponder 10. Deshalb ist auch die Reichweite des Transpondersignals
begrenzt. Sie liegt derzeit bei passiven Transpondern bei unter
2 m, insbesondere bei unter 1 m. Antennen 13 können somit
Signale von entfernt liegenden Transpondern 10 nicht mehr
empfangen ("hören"), wobei sich dies auch
aus der Verwendung von Empfängerschwellen
ergeben kann: Am Empfänger
demodulierte Signale unterhalb einer bestimmten Signalstärke werden
unterdrückt.
Die Reichweite von aktiven Transpondern (mit eigener Energieversorgung) liegt
bei bis zu 50 Metern.
- – Das
Signal der Antennen ist vergleichsweise stark. Somit werden auch
Transponder 10 das Signal von entfernt liegenden Antennen 13 hören.
- – Ein
Transpondersystem muß,
wenn es zuverlässig
arbeiten soll, das gleichzeitige Passieren mehrerer Transponder 10 im überwachten
Bereich handhaben können.
In 1A ist dies durch
die Individuen I1 bis I3 symbolisiert, die sich im überwachten
Bereich befinden und beispielsweise jeweils Bücher tragen können. Es
muß somit
in bestimmter Weise multiplexiert werden, und hier kommt vorrangig
Zeitmultiplex oder Frequenzmultiplex in Frage.
- – Wenn
Frequenzmultiplex nicht möglich
ist (beispielsweise wegen postalischer Bestimmungen oder weil die
Transponderschaltungen hierzu nicht ausgelegt werden können), bleibt
beispielsweise Zeitmultiplex. Zeitmultiplex umfaßt das Arbeiten mit zuordenbaren
Zeitbereichen, nachfolgend "Time-Slots" genannt. Dies umfaßt wiederum
die Notwendigkeit, den Transpondern Informationen zum Beginn und
zum Ende der Time-Slots mitzuteilen. Außerdem muß eine Zuordnung von Transpondern
zu bestimmten Time- Slots
erfolgen. Um hier die nötigen
Informationen auszutauschen, ist ein bestimmtes Protokoll notwendig.
Es existieren verschiedene Protokolle. Qualitativ sind Merkmale
solcher Protokolle in den 1B bis E gezeigt. 1B zeigt schematisch verschiedene Zeitbereiche
Init und TS1 bis TSn, die sich zyklisch wiederholen, was zu einer
Zyklusdauer Tz führt. Typische Zyklusdauern
sind 20 ms bis 500 ms. In der Init-Phase sendet die Antenne 13 Daten
an die Transponder. Damit erhalten die Transponder Informationen
zu den Time-Slots, zum gefahrenen Protokoll, zur Synchronisation
und ähnliches.
Die nachfolgenden Zeitbereiche TS1 bis TSn sind Time-Slots, in denen
einzelne Transponder moduliert Daten aussenden können, die von den stationären Antennen 13 empfangen
werden. "Stationär" schließt hier
ein, daß die
Antennensysteme) durchaus verfahrbar sein können. 1C zeigt schematisch die Arbeitsweise
der stationären
Antennen. Während der
Init-Phase sendet die Antenne 13 ein moduliertes Wechselsignal
aus, um die Daten an die Transponder 10 übertragen
zu können.
Während der
Time-Slots TS1 bis TSn sendet die Antenne nach wie vor ein Wechselsignal
aus, vorzugsweise jedoch unmoduliert. Dieses Wechselsignal dient
der Energieversorgung der Transponder 10. Es wird von den
Induktionsschleifen 17 erfaßt, kann gleichgerichtet werden
usw. Die 1D und 1E zeigen die Sendeaktivitäten einzelner
Transponder. Angenommen wird, daß sich für den in 1D gezeigten Transponder ein Aussenden seiner
Kennung im Time-Slot TS3 ergeben hat. Die Time-Slot-Zuordnung erfolgt
anhand bestimmter Algorithmen von Fall zu Fall bzw. von Zyklus zu
Zyklus neu. Die Time-Slot-Zuordnung wird vorzugsweise im Transponder 10 selbst
vorgenommen. Dies kann Bezug nehmend auf Informationen von den Antennen 13 und
beispielsweise auch Bezug nehmend auf die eigene Kennung erfolgen.
Es kann aber gleichwohl passieren, daß zwei im überwachten Bereich vorhandene
Transponder zum gleichen Time-Slot TS3 senden. Da die Vielzahl von
vorhandenen Transpondern auf eine begrenzte Zahl von Time-Slots
abgebildet werden muß,
sind solche Kollisionen nicht verhinderbar, sie treten regelmäßig auf.
Gezeigt ist dies in den 1D und 1E, wo zwei Transponder gleichzeitig im
Time-Slot TS3 senden.
Die Time-Slot-Zuordnungsalgorithmen sind dann so eingestellt, daß in einem
späteren,
z. B. im nächsten
Zyklus Transponder, die vorher gleiche Time-Slots hatten, verschiedene
Time-Slots haben werden, in den 1D und 1E jeweils die Time-Slots TS2 und TS1.
Dies impliziert, daß sich Transponder über mindestens
zwei und vorzugsweise mehrere Zykluszeiten im überwachten Bereich aufhalten.
Eine Verlängerung
des überwachten
Bereichs in Bewegungsrichtung (Dimension L in 1A) schafft hier keine Abhilfe. Zwar
bleibt dann ein Transponder länger
im überwachten
Bereich, aber es befinden sich auch statistisch mehr Individuen
im überwachten
Bereich, so daß die Kollisionswahrscheinlichkeit
bei bestimmten Time-Slots steigt.
- – Die
Anzahl der Time-Slots pro Zyklus ist begrenzt. Typische Werte sind
1 bis 256. Innerhalb eines Time-Slots ist eine gewisse Anzahl von
Bits zu übertragen
(insbesondere eine Kennung zur Individualisierung, Prüfbits, etc.).
Wegen der schaltungstechnischen und konzeptionellen Begrenzungen
können
hier die Time-Slots nicht beliebig klein gemacht werden. Typische
Time-Slot-Dauern sind 5 bis 10 ms.
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Die existierenden Systeme haben somit
den Nachteil, daß nur
eine begrenzte Anzahl von Transpondern pro Zeiteinheit erkennbar
ist.
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In 1F ist
es nicht sinnvoll, beispielsweise von einem (gezeigten) Zweifach-Power-Splitter
auf einen Vierfach-Power-Splitter überzugehen. Dann würde zwar
der physisch vorhandene Raum (entsprechend W in 1A) vergrößert werden und mehr Individuen
die "Gates" passieren können. Gleichwohl
aber bleibt die Begrenzung wegen der begrenzten Anzahl der Time-Slots.
Die vermehrt aufgefangenen Signale der Empfänger würden sich in der gleichen Anzahl
der Time-Slots "drängeln", es käme verstärkt zu Time-Slot-Kollisionen
und zu Nichterkennungen. Es ist weiterhin nicht möglich, einfach
zwei Systeme, wie in 1F gezeigt,
nebeneinander zu stellen. Denn dann würden sich die Sendeaktivitäten der
einzelnen Antennen und/oder Transponder kreuzweise stören und überlagern
und so abermals zu Nichterkennungen führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Transponderantenne, ein Transponderantennensystem sowie ein Transpondersystem
anzugeben, die eine Erhöhung
der Erkennungsrate (pro Zeit erkannte Individuen) erlauben.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Abhängige
Ansprüche
sind auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gerichtet.
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In einem Transponderantennensystem
nach der Erfindung sind mehrere Transponderantennen vorgesehen,
von denen eine oder mehrere mit elektrischen Wechselsignalen versorgt
werden, die je weils zeitlich nacheinander moduliert und unmoduliert
sind. Es sind hierbei auch jeweils mehrere Empfänger vorgesehen, die jeweils
einer oder mehreren Transponderantennen zugeordnet sind und von
diesen Signale empfangen und auswerten. Die Zuordnung zwischen Transponderantennen
und Empfängern
kann 1:1 sein, d.h., daß jeder
Antenne ein Empfänger
zugeordnet ist, wobei jeder Empfänger
ausschließlich
von der ihm zugeordneten Antenne Signale empfängt und auswertet. Bei dieser
Anordnung macht man sich die geringe Reichweite (die auch wegen
empfängerseitiger
Erkennungsschwellen gering sein kann) der Transpondersignale zunutze.
Transpondersignale werden nur von "nahen", z. B. den nächsten Antennen empfangen (z.
B. unmittelbar links und/oder unmittelbar rechts vom zu erkennenden
Transponder), aber nicht von weiter entfernt gelegenen. Dadurch,
daß dann
mehrere Empfänger vorgesehen
sind, laufen die so gewonnenen Transpondersignale in unterschiedliche
Empfänger,
so daß diese
unterschiedlichen Empfänger
im gleichen Time-Slot unterschiedliche Transponder erkennen können.
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Hinsichtlich der Transponderantennen
kann eine Arbeitsteilung dahingehend vorgesehen sein, daß manche
davon nur Signale und Energie senden, die von Transpondern empfangen
werden, und/oder manche davon nur Signale empfangen, die von Transpondern
gesendet werden. Es können
aber auch eine oder mehrere Transponderantennen senden und empfangen.
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Wenn mehrere Antennen vorzusehen
sind, ist vorteilhafterweise dafür
Sorge zu tragen, daß diese
zeitlich synchronisiert zueinander arbeiten. Folgende Störeffekte
können
auftreten: Eine Antenne kann moduliert senden ("Init" in 1B), wenn ein Transponder
sendet.
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Dann würden die von der Antenne gesendeten
Signale und die vom Transponder gesendeten Signale vermengt vorliegen,
und letztendlich würde
das vergleichsweise schwache Transpondersignal im vergleichsweise
starken und auch rauschenden Antennensignal untergehen. Darüber hinaus
kann es bei nur ungefährer
Synchronisierung passieren, daß zwei
Antennen "ungefähr" gleichzeitig die
Initialisierung gemäß 1B moduliert aussenden.
Da die Reichweite der Antennen vergleichsweise groß ist (starkes
Signal), würde
ein Transponder von allen Antennen die modulierten Signale empfangen.
Wenn diese nicht genau synchron eintreffen, empfängt ein Transponder letztendlich
ein Mischsignal, das für
ihn nicht auswertbar ist. Die zeitliche Synchronisation mehrerer
Antennen muß also
so genau sein, daß auch
dann, wenn mehrere Antennen modulierte Signale senden, die Daten
und insbesondere die einzelnen Datenteile (Bits) synchron beim Transponder eintreffen.
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Weiterhin wird beim Vorhandensein
mehrerer sendenden Antennen vorteilhafterweise dafür Sorge
getragen, daß diese
auf exakt der gleichen Frequenz senden. Wenn dies nicht der Fall
ist, können
Schwebungsphänomene
auftreten, die dazu führen
können,
daß Datenteile
der von den Antennen ausgesandten Daten in Schwebungsminima untergehen
oder daß Transponder
zeitweise keine Energie erhalten.
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Bezug nehmend auf die Zeichnungen
werden einzelne Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben, es zeigen:
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1 bekannte
Systeme und allgemeine Erwägungen,
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2 ein
System nach der Erfindung,
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3 schematisch
den Signalfluß in
einem Richtungskoppler,
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4 bis 8 verschiedene Konfigurationen, und
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9 einen
Empfänger.
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2 zeigt
in Kombination mehrere Ausführungsformen
der Erfindung. Die Bezugsziffern TA1, TA2, TA3, TA4 und TAn bezeichnen
Transponderantennen. Die Darstellung in 2 oben kann als schematisch "geographisch", also entsprechend
einer realen physischen Anordnung verstanden werden. Die Antennen
TA1 bis TAn sind über
beispielsweise einen breiten Durchgang verteilt. Nimmt man beispielsweise
an, daß der
Abstand zwischen zwei Antennen etwa 1,20 m beträgt, kann mit der gezeigten
Darstellung eine Breite von etwa 5 m überwacht werden. Zwischen den
einzelnen Transponderantennen TA1 bis TAn können sich Individuen I1 bis
I10 bewegen. Wegen der Vielzahl der vorhandenen Durchlässe (in der
gezeigten Anordnung vier Durchlässe
zwischen fünf
Transponderantennen) können
wesentlich mehr Individuen pro Zeit den Durchlaß passieren, als dies bei nur
zwei Antennen mit einem Durchlaß dazwischen
möglich
wäre.
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Die Transponderantennen können einem Protokoll,
wie Bezug nehmend auf die 1B bis E beschrieben, folgend arbeiten.
Die Transponderantennen erhalten jeweils ein Wechselsignal W1, W2, W3,
W4 und Wn. Diese Wechselsignale können, wie in 2 gezeigt, beispielsweise schon moduliert
einer Verzweigung 22, bspw. einem Leistungsteiler/Power
Splitter entspringen, der seinerseits ein mo duliertes Eingangssignal
empfängt.
Das modulierte Eingangssignal wird erzeugt, indem das Signal einer Quelle 20 in
einem Modulator 21 nach Maßgabe eines modulierenden Signals
Mod moduliert wird. Das Signal Mod entspringt einer Steuerung 23,
die es in geeigneter Weise, auch hinsichtlich der Zeitlage, erzeugt.
Die Einrichtung 23 arbeitet insbesondere unter Beachtung
des herrschenden Protokolls, also beispielsweise wie Bezug nehmend
auf die 1B ff. beschrieben.
Die Einrichtung 23 kann die senderseitige Steuerung (Versorgung
der Transponderantennen mit modulierten und unmodulierten Wechselsignalen) übernehmen.
Die Einrichtung 23 oder eine andere (nicht gezeigte) übergeordnete
Einrichtung kann auch höherrangige
Steuerungen vornehmen. Die Wechselsignale W1 bis Wn werden den Transponderantennen
TA1 bis TAn zugeführt.
Sie bewirken die eingangs beschriebenen Interaktionen mit den Transpondern
der einzelnen Individuen, und insbesondere senden die Transponder
ihrerseits wieder modulierte Signale aus, die an den Klemmen der Transponderantennen
abgegriffen werden können. In
der gezeigten Ausführungsform
ist jeder Transponderantenne ein Empfänger E1 bis En zugeordnet. Der
jeweilige Signalfluß kann über einen
Koppler K1 bis Kn erfolgen. Die Empfänger empfangen somit das Signal
von der jeweiligen Transponderantenne, das diese wiederum vom jeweiligen
Transponder empfangen hat.
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In diesem Zusammenhang wird darauf
hingewiesen, daß regelmäßig ein
Transpondersignal von zwei Transponderantennen empfangen wird. Beispielsweise
wird das dem Individuum I5 zugeordnete Transpondersignal von den
Antennen TA2 und TA3 empfangen und an deren jeweilige Empfangseinrichtung
E2 und E3 weitergeleitet, die das Individuum I5 jeweils für sich erkennen.
Das Individuum kann somit doppelt erkannt werden, was aber unkritisch
ist, da Doppelerkennungen logisch festgestellt und unterdrückt werden
können.
Es wird hier noch weiter auf folgende Überlegungen hingewiesen: Es kann
beispielsweise vorkommen, daß die
Transponder der Individuen I2 und I3 im gleichen Time-Slot senden.
Da diese sich zwischen den beiden gleichen Transponderantennen befinden,
führt dies
an beiden erkennenden Transponderantennen zu dem eingangs beschriebenen
Konflikt, und die Individuen können
nur dann erkannt werden, wenn sie in einem folgenden Zyklus mit
geänderter
Time-Slot-Zuordnung abermals abgefragt werden können. Time-Slot-Konflikte können aber
auch auftreten, wenn beispielsweise die Individuen I2 zwischen TA1
und TA2 und I5 zwischen TA2 und TA3 im gleichen Time-Slot senden.
Diese Kollision würde
die Transponderantenne TA2 "merken", nicht jedoch die
Transponderantenne TA1 und die Transponderantenne TA3. Hier ist
die Tatsache hilfreich, daß die
Reichweite der Transpondersignale vergleichsweise gering ist, was
sich auch wegen empfängerseitig
verwendeter Erkennungsschwellen ergeben kann. Es kann davon ausgegangen
werden, daß die
jeweiligen Transpondersignale nur von den nächsten Transponderantennen
links und rechts des Transponders empfangen werden, nicht jedoch
von weiter entfernt stehenden. Das Signal des Transponders zum Individuum
I5 wird beispielsweise nicht von den Transponderantennen TA1 und
TA4 empfangen.
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Ein erfindungsgemäßer Transponder kann in einer
Ausführungsform
eine Sendeleistungsregelung bzw. -steuerung aufweisen, die die Sendeleistung des
Transponders so einstellt, daß die
obige Annahme gerechtfertigt ist, insbesondere so, daß die Reichweite
des Transpondersignals ausreichend klein bleibt.
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Das von der jeweiligen Transponderantenne empfangene
Signal kann von den Zuleitungen über Koppler
K1 bis Kn abgegriffen werden. In den Empfängern E1 bis En erfolgt vorzugsweise
eine Demodulation und dann eine digitale Formung des Signals. Je
nach "Intelligenz" der Empfänger kann
das Signal dann weiterverarbeitet werden. Es können beispielsweise Signalprüfungen (Prüfbit, Quersumme
etc.) gebildet werden, und es kann insbesondere die Transponderkennung
o. ä. des
jeweiligen Transponders in ein leicht handhabbares digitales Format übertragen
werden. Von den Empfängern
können
die so gewonnenen Daten einer übergeordneten
Auswertung 24 zugeführt
werden. Hier kann beispielsweise die Zuordnung zwischen den einzigartigen Transponderkennungen
und den benutzergewählten Kennungen
("47110815007" → "Heinz Huber") vollzogen werden.
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Die Modulationsfrequenz des Antennensystems
kann anders sein als die eines Transponders. Auch kann ein Seitenband
zum Senden durch die Antenne gewählt
werden, das anders als das vom Transponder verwendete Seitenband
ist.
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Weiterhin kann eine Synchronisation
zwischen Sender und Empfänger
dahingehend vorgesehen sein, daß zwischen
Empfänger
E1 bis En und senderseitigen Komponenten (Bezugsz. 20 bis 23) Synchronisationsinformation
ausgetauscht werden, bspw. indem über einen geeigneten Kanal 26 (logisch,
Leitung) bspw. die Einrichtung 23 den Empfängern entsprechende
Informationen zuführt.
Die Synchronisation kann z. B. Protokollinformation umfassen (logische
Synchronisation) oder auch Information über die Lage der Time-Slots
(Zeit synchronisation), letzteres bspw. in Form von periodisch wiederkehrenden
Synchronisations- oder Taktimpulsen bzw. -signalen. Diese können z.
B. einmal pro Zyklus oder für
jeden Time-Slot ausgesendet werden. Die Synchronisationseinrichtung
(für senderseitige
Komponenten und die Empfänger)
eines Transponderantennensystems kann eine Synchronisationseinrichtung
bzw. einen Synchronisationseingang für die Synchronisation mit einer
entsprechenden Einrichtung eines weiteren Transponderantennensystems aufweisen.
Die Synchronisationsvorgaben insbes. zur Zeitsynchronisation können – auch bei
modularem Aufbau gem. 5 bis 7 – von senderseitigen Komponenten
oder von einer übergeordneten
Steuerung oder von entsprechenden Einrichtungen eines anderen Transponderantennensystems
kommen.
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Das Transponderantennensystem der
Erfindung bevorzugt 2 bis 32 Time-slots, mehr noch 4 bis 16 Time-Slots
pro Zyklus.
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2 zeigt
somit mehrere Aspekte der Erfindung in Kombination, die aber je
nach sonstigen Systemgegebenheiten auch jeweils einzeln oder kombiniert
mit nur einem oder zweien der übrigen
Aspekte vorgesehen sein können:
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– Vorsehen
mehrere Empfänger,
damit in einem Time-Slot mehrere Transponder gegebenenfalls erkannt
werden können.
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– Präzise zeitliche
Synchronisierung der Aktivität
der Transponderantennen, damit sich die jeweiligen Datenübertragungen
nicht gegenseitig stören.
In der gezeigten Ausführungsform
wird dies dadurch erreicht, daß ein
einziges moduliertes Signal durch einen Power Splitter 22 aufgesplittet
und allen Transponderantennen so zugeführt wird.
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– Frequenzabgleich
für alle
Transponderantennen, insbesondere um Schwebungsphänomene zu
vermeiden, was in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls durch
die gezeigte Aufteilung des Signals einer einzigen Quelle erreicht
wird.
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– Synchronisation
zwischen senderseitigen Komponenten und Empfängern, damit ein Empfänger A-priori-Wissen über die
empfangene Information hat, so daß die Be- und Auswertung derselben
zuverlässiger
bzw. einfacher erfolgen kann.
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Die in 2 unterhalb
der Transponderantennen gezeigten Elemente können in einer einzigen Baugruppe 22 vorgesehen
sein, die physisch vereint gehandhabt werden kann.
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Bezug nehmend auf 3 wird eine weiteres Merkmal der Erfindung
erläutert.
Vorzugsweise wird dafür
Sorge getragen, daß der
Signalfluß von Transpondersignalen
(die von einer Transponderantenne empfangen und an den jeweiligen
Empfänger weitergegeben
wurden) zwischen einzelnen Empfängern
unterbrochen ist. Dann sind geeignete Vorrichtungen zur Unterbrechung
des Signalflusses insbesondere von Transpondersignalen zwischen
den Empfängern
vorgesehen. 3 zeigt
beispielhaft hierzu schematisch den Signalfluß an einem Richtkoppler Kn.
Er empfängt
das (zeitweise modulierte, zeitweise nicht modulierte) Wechselsignal
Wn und leitet es an den Antennenanschluß an eine Leitung weiter, auf
der das Antennensignal An ansteht. Das Antennensignal An umfaßt aber
nicht nur das Wechselsignal Wn, sondern auch das elektrische Abbild des
vom Transponder ausgesendeten Signals Tn. Das Wechselsignal Wn läuft logisch
gesehen vom Richtungskoppler zur Transponderantenne, das Transpondersignal
läuft logisch
gesehen von der Transponderantenne zum Richtungskoppler. Der Richtungskoppler
trennt das Transpondersignal Tn vom Wechselsignal Wn und gibt das
Transpondersignal Tn an einem separaten Ausgang aus, an dem das
Wechselsignal Wn nicht ansteht und an dem es vom Empfänger En
abgegriffen werden kann.
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Das Vorsehen der Signalunterbrechung
und insbesondere von Richtungskopplern Kn hat den Vorteil, daß die Transpondersignale
nicht mehr zum Verzweigungspunkt des Wechselsignals Wn laufen. Wäre dies
der Fall, bestünde
die Gefahr, daß ein Transpondersignal
Tn nicht nur vom jeweils zugeordneten Empfänger En empfangen wird, sondern
auch von anderen Empfängern.
Dann ginge der Vorteil der mehrfach vorhandenen Empfänger En
verloren, da sie dann jeweils alle Transpondersignale "hören" würden
und so die eingangs beschriebenen Konflikte in den einzelnen Time-Slots
auftreten können.
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Wenn die Signalisolierung aber anderweitig sichergestellt
ist, beispielsweise indem der Power Splitter rückwärts laufende Signale unterdrückt, kann auf
den Richtungskoppler Kn verzichtet werden, was Vorteile hinsichtlich
der Signalstärke
hat. Es kann dann ein einfaches T-Stück als Koppler Kn verwendet werden,
oder ein Power-Splitter,
der so geschaltet ist, daß er
den Signalfluß von
sendeseitigen Komponenten zu den Empfängern unterbindet.
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4 zeigt
eine leicht geänderte
Systemauslegung. Es sitzt hier nicht mehr ein Modulator 21 vor
dem Eingang des Power Splitters 22, sondern die einzelnen
Signale werden individuell durch Modulatoren 40-1 bis 40-n am
Ausgang des Leistungsteilers moduliert. Wenn die Modulatoren das
gleiche unmodulierte Wechselsignal empfangen, ist so der Vorteil
der Frequenzgleichheit gewonnen. Wenn die Modulatoren mit dem gleichen
Signal Mod angesteuert werden, ist damit auch die zeitliche Synchronisierung erreicht.
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5 zeigt
schematisch eine weitere Systemauslegung. Hier sind für jede Transponderantenne TAn
eigene Wechselsignalquelle 53-1 bis 53-n vorgesehen,
die dann auch jeweils eigene Modulatoren 40-1 bis 40-n durchlaufen.
Wenn diese Modulatoren wiederum das gleiche modulierende Signal
Mod empfangen, ist der Vorteil der Zeitsynchronisation gewonnen.
Mit 51 ist weiterhin eine Frequenzabstimmung symbolisiert,
die dafür
Sorge trägt,
daß die
Signalquellen 53-1 bis 53-n mit der gleichen Frequenz schwingen.
Hier können
PLL-Techniken oder ähnliches
eingesetzt werden. Denkbar ist auch, daß 51 ein niederenergetisches
Steuersignal der entsprechenden Frequenz ist und die Quellen 53-1 bis 53-n lediglich
eine verstärkende
Funktion haben, um die gewünschte
Leistung zu erreichen.
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In diesem Zusammenhang wird darauf
hingewiesen, daß allgemein
der Übergang
von niederenergetischen Steuerungs- bzw. Informationssignalen zu
hochenergetischen Versorgungssignalen für die Antenne an beliebig geeigneter
Stelle im Signalfluß erfolgen
kann, beispielsweise indem dort geeignete Verstärker vorgesehen werden.
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5 deutet
noch schematisch mit Bezugsziffer 52 an, daß viele
der vorher beschriebenen Komponenten als Einheit 52 mit
einer Transponderantenne geliefert werden können, wobei diese Einheit sich
gut für
modularen Einsatz eignet. Beispielsweise können Transponderantenne TA,
Richtungskoppler K, Modulator 40 und Wechselsignalquelle 53 als
Einheit vorgesehen sein. Diese Einheit weist entsprechende Ein-
bzw. Ausgänge
für den
gegebenenfalls notwendigen Frequenzabgleich für die Modulation und für das Ausgangssignal
für die
Empfänger
En auf. 51 symbolisiert eine Einrichtung für den Frequenzabgleich. Diese
Zusammenlegung der Einheiten zu einer einzigen physischen Baugruppe
kann dann gewählt
werden, wenn es der vorhandene Platz und die Größe des sich so ergebenden Geräts dies erlaubt.
Es kann weiter eine (nicht gezeigte) Synchronisationseinrichtung
bzw. ein Anschluß hierfür für die jeweils
vorhandenen Empfänger
vorhanden sein, mit dem die oben beschriebene Synchronisation, insbesondere
Zeitsynchronisation, zwischen senderseitigen oder höherrangigen
Komponenten und dem Empfänger
bewirkt werden kann.
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6 zeigt
den noch weiterentwickelten modularen Gedanken. Es gibt eine Wechselsignalquelle 53n,
einen Modulator 40n, einen Richtungskoppler Kn und die
eigentliche Transponderantenne TAn. 61 ist eine Baugruppe, die zumindest
die Funktionen des Empfängers
umfaßt
und die beispielsweise ein digitales Ausgangssignal an den Anschluß 62 ausgeben
kann. Sie kann an einen Bus oder an eine sonstige digitale Leitung
anschließbar
ausgelegt sein. Die Einheit 61 kann aber auch die Funktion
haben, vom Bus die modulierenden Daten bzw. Sonstige Steuerungssignale
zu empfangen, so daß diese
in der Einheit 61 erzeugt und zur Modulierung des Signals der Quelle 53n verwendet
werden können.
Wenn die Einheit 61 diese Funktion nicht hat, kann das
modulierende Signal auch separat von einem gestrichelt gezeichneten
Anschluß 63 zugeführt werden.
Es kann weiter eine (nicht gezeigte) Synchronisationseinrichtung
bzw. ein Anschluß hierfür für die jeweils
vorhandenen Empfänger
vorhanden sein, mit dem die oben beschriebene Synchronisation, insbesondere
Zeitsynchronisation, zwischen senderseitigen oder höherrangigen
Komponenten und dem Empfänger
bewirkt werden kann.
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7 zeigt,
wie herkömmliche
Systeme so modifiziert bzw. ergänzt
werden können,
daß sich Verbesserungen
entsprechend der Erfindung ergeben. Gleiche Bezugsziffern wie in 1 F bezeichnen gleiche Komponenten,
auch wenn sie indiziert sind. Zunächst ist gezeigt, daß zwei herkömmliche Systeme "nebeneinandergestellt" sind, was insbesondere
für die
Transponderantennen 13-1 und 13-2 ergibt. Gezeigt
sind vier Transponderantennen mit drei Durchlässen 17-1, 17-2 und 17-3.
Es sind eine Zeitsynchronisierung 71 und eine Frequenzabgleichseinrichtung 72 vorgesehen,
die die jeweils herkömmlichen
Komponenten so beeinflussen, daß die Modulation
insbesondere des Transponderantennensignals genau synchronisiert
erfolgt, wie oben beschrieben, und daß auf der gleichen Frequenz
gesendet wird. Durch die Duplizierung der Komponenten sind auch
mehrere Empfänger 16-1 und 16-2 vorhanden,
so daß in
einem Time-Slot gegebenenfalls auch mehr als ein Transponder erkannt
werden kann.
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Wenngleich die einzelnen Antennen
mit gleicher Frequenz und zeitlich möglichst genau synchronisiert
zu beaufschlagen sind, kann zwischen ihnen gleichwohl eine Phasenverschiebung
der Signale eingesteuert werden. Dadurch ergibt sich der Effekt, daß das entstehende
Magnetfeld zwischen den Antennen zeitabhängig nicht nur die Amplitude,
sondern auch die Richtung ändert.
Dies führt
dazu, daß die Transponderinduktionsschleifen
besser von dem die Energie liefernden Magnetfeld von der Transponderantenne
durchsetzt werden. Die Phasenverschiebung kann durch Phasenschieberschaltungen
oder gegebenenfalls auch durch unterschiedlich lange Zuleitungen
erfolgen, wenn die verwendeten Frequenzen dies erlauben.
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Die zeitliche Synchronisation der
Sendeaktivität
der Transponderantennen erfolgt mit einer Genauigkeit, die besser
als 40% der Dauer eines Datenbits ist, vorzugsweise besser als 25%
der Dauer eines Datenbits, weiter vorzugsweise besser als 10% der
Dauer eines Datenbits.
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Die Ausführungsformen der 6 und 7 eignen sich zum modularen Auf- und
Ausbau eines Systems. Wenn festgestellt wird, daß die bisher vorhandene Hardware,
insbesondere die bisher vorhandene Anzahl von Transponderantennen
und gegebenenfalls Empfängern,
nicht ausreicht, um die Anzahl der passierenden Transponder zuverlässig überwachen zu
können,
können
entsprechende Einheiten zugekauft und an das vorhandene System zusätzlich angeschlossen
werden.
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8 zeigt
eine im Vergleich zu 2 abgewandelte
Konfiguration. Nicht alle Antennen senden und empfangen Information,
sondern es können
einige nur senden, in 8 nur
TA3, und einige andere nur empfangen, gezeigt z. B. zu TA1, TA2,
TA4 und TAn. Es können dazu
auch Antennen vorgesehen sein, die senden und empfangen. Den gezeigten Nur-Empfangs-Antennen
ist jeweils ein Empfänger zugeordnet,
es kann aber auch ein Empfänger
mehreren Antennen zugeordnet sein, solange mehrere Empfänger vorgesehen
sind. Der Hardware-Aufbau vereinfacht sich: Der Power-Splitter 22 bzw.
die Synchronisation sendender Antennen ist entbehrlich, wenn nur
eine Antenne sendet. Außerdem
sind die Signalkoppler Kn für
diejenigen Antennen entbehrlich, die nur empfangen oder nur senden.
Die Anzahl der sendenden Antennen kann nach Maßgabe von Kriterien wie Reichweite
der sendenden Antennen, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-Herzschrittmacherproblematik),
postalische Bestimmungen u.ä. gewählt werden.
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Die räumliche Anordnung sendender und/oder
empfangender Antennen kann anders als in den 2 und 8 gezeigt
sein. Bspw. kann sich eine große
sendende Antenne quer über
(oder unter) einem breiten Durchlaß befinden, und unter (über) dem Durchlaß nebeneinander
mehrere kleinere nur empfangende Antennen.
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Der Abstand von insbesondere zwei
benachbarten oder mehreren empfangenden Antennen zueinander kann
korreliert zur Reichweite der Transpondersignale gewählt sein.
Auch können
Erkennungsschwellen in den Empfängern
nach Maßgabe erwarteter
Transpondersendeleistungen und/oder nach Maßgabe des Abstands von Transponderantennen
und/oder nach Maßgabe
von Umgebungsrauschen in den interessierenden Frequenzbändern gewählt sein.
Die Empfänger
können
dementsprechend eine einstellbare Schwelleneinrichtung aufweisen. Weiterhin
können
Sendeleistungen der Transponder nach Maßgabe von Umgebungsrauschen
und/oder nach Maßgabe
des Antennenabstands eingestellt sein. Ein Transponderantennensystem
bzw. eine Transponderantenne können
eine Rauschmeßeinrichtung
aufweisen, deren Meßergebnis
bspw. zur Bestimmung von Erkennungsschwellen und/oder zur Transpondersendeleistungseinstellung
herangezogen werden können.
Die Transpondersendeleistungseinstellung kann anhand von Daten erfolgen, die
eine Antenne an einen Transponder überträgt. Die Wahl des Antennenabstands,
der Transpondersendeleistung oder von Erkennungsschwellen kann auch
nach Maßgabe
der erwarteten bzw. zulässigen Transpondenate
(zu erkennende Transponder pro Zeit) gewählt sein. Allgemein muß unter "Reichweite" im Kontext der Erfindung
nicht die Entfernung verstanden werden, in der das Transpondersignal
im Hintergrundrauschen untergegangen ist (physikalische Reichweite),
sondern es kann darunter die Entfernung verstanden werden, in der
ein Signal auch unter Verwendung empfängerseitiger Erkennungsschwellen
noch erkannt wird (Erkennungsreichweite).
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Auch Empfänger alleine für Signale
einer Transponderantenne sind Gegenstand der Erfindung. Sie haben
mindestens einen Eingang 93 für ein Signal von einer Transponderantenne
und einen Synchronisationseingang 91 zum Synchronisieren des
Empfängers
En mit senderseitigen Komponenten 20 bis 23 wie
oben beschrieben eines Transpondersystems. An den Eingang 93 kann
der Kanal bzw. die Leitung 26 anschließbar sein. Der Eingang 93 kann
ein physisch vorhandener Eingang sein oder ein logischer Eingang
in dem Sinne, daß Synchronisationsinformationen
einer auch für
andere Zwecke benützten
Leitung (z. B. Datenbus) entnommen werden. Der Empfänger kann
zwei oder mehrere Eingänge 93, 94 für Signale
von Transponderantennnen aufweisen. Der Empfänger weist einen Aus gang 92 zur
Verbindung mit höherrangigen
Komponenten, etwa 24 in 2,
auf. Die genannten Ein- bzw. Ausgänge 91 und 92 können jeweils
ein physisch vorhandener Ein- bzw. Ausgang sein oder ein logischer
Eingang in dem Sinne, daß geeignete
Daten mit einer auch für
andere Zwecke benützten
Leitung (z. B. Datenbus) ausgetauscht werden.
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Es ist in mancherlei Hinsicht vorteilhaft,
aber nicht zwingend erforderlich, dass die Transponder in genau
definierten Timeslots antworten. Transponder können auch dann erkannt werden,
wenn sie z.B. zufällig
antworten und evtl. sogar erkennen, ob bereits ein anderer Transponder
gerade sendet.
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Unter "Transponder" im Sinne der oben beschriebenen Erfindung
kann allgemein ein Sender verstanden werden, der senderindividuelle
Daten aussendet, die insbesondere der Durchgangserkennung (z. B.
am Ausgang einer Bibliothek) oder allgemeiner der Anwesenheitserkennung
(im Bereich einer Antenne – z.
B. im Regal einer Bibliothek) dienen. 'Transponderantennen" können
Antennen für
solche Transponder sein.