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Entwurf und Implementierung von Verfahren und Algorithmen in Transponderlesegeräten zur Optimierung der Übertragungseigenschaften von LF-Transpondersystemen

Jacobi, Rebekka Carmen

Das Ziel dieser Arbeit liegt in der Optimierung der Übertragungseigenschaften von Low-Frequency-Transponderlesegeräten. Der Fokus liegt auf der Entwicklung von neuen Verfahren und Algorithmen, die eine stabile Energie- und Datenübertragung mobiler Lesegeräte unter variierenden Umgebungseinflüssen ermöglichen. Besonders bei passiven Sensortranspondern, die zusätzlich zu einer Identifikationsnummer Messdaten an das Lesegerät übermitteln, stellt die Energieversorgung des Transponderchips und des Sensors eine Herausforderung dar. Um den Sensortransponder über das magnetische Feld mit ausreichend Energie zu versorgen, können mobile, akkubetriebene Lesegeräte für eine verbesserte Energieeffizienz mit einer Lesegerätespule hoher Güte versehen werden. Jedoch wird das Datensignal in einem Transpondersystem mit einer Lesegerätespule hoher Güte stark verzerrt und somit die Detektion der empfangenen Daten erschwert. Des Weiteren ist es insbesondere bei variierenden Umgebungseinflüssen schwierig, eine stabile Energieversorgung zu gewährleisten, weil die Übertragung der Energie - genau wie die der Daten - unter anderem von Parametern abhängig ist, die durch die Umgebung der Antennenspulen bestimmt werden. Dies konnte bereits mit Messungen des Basisbandsignals oder von Übertragungsfunktionen dokumentiert werden. Darüber hinaus existieren diverse Ansätze, um ein Transpondersystem zu simulieren. Die Verfahren nach dem Stand der Technik umgehen die Problematik variierender Übertragungsfunktionen maßgeblich durch den Einsatz von Antennenspulen niedriger Güte oder analogen Schaltungen, die die Übertragung für bestimmte Rahmenbedingungen stabilisieren sollen. Antennenspulen hoher Güte werden aufgrund diverser auftretender Probleme kaum eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein System gesucht, das sich bei Änderungen der Ausgangsbedingungen, sei es bei den Eigenschaften der Antennenspulen oder bei den äußeren Einflüssen, an die neue Umgebung adaptieren kann. Dabei wird die Frage untersucht, in welcher Art die variierenden Einflüsse, die von Bedeutung sind, simuliert werden können und wie das System auf dieser Basis optimiert werden kann. Die Erkenntnisse fließen in die Entwicklung adaptiver Verfahren und Algorithmen für das Hardware-Front-End sowie für die digitale Signalverarbeitung ein. Die Übertragungsfunktionen des Transpondersystems werden in einem Modell, welches die äußeren Einflüsse auf die Antennen als variable Parameter mit einbezieht, in Matlab/Simulink simuliert. Ein Vergleich mit Messungen verschiedener Übertragungsfunktionen im Transpondersystem zeigt die Zuverlässigkeit des Modells. Das verzerrte Basisbandsignal wurde zusammen mit anderen Signalen am Lesegeräte-Front-End auf Informationen untersucht, die eine Aussage über die Zuverlässigkeit des erkannten Symbols enthalten, welche in den Detektionsalgorithmen verwendet werden kann. Weiterhin wird ein Demonstrator eines adaptiven Kernmoduls für mobile Transponderlesegeräte vorgestellt. Dieser besteht aus einem digital gesteuerten analogen Front-End und einem FPGA, der von Matlab aus gesteuert werden kann. Mit Hilfe von digitaler Signalverarbeitung können in Kombination mit der dafür ausgelegten Hardware die Energieversorgung sowie die Datendetektion signifikant verbessert werden. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Verfahren sind energieeffizient, adaptierbar und mit geringem Hardwareaufwand zu implementieren. Bei der Decodierung von Basisbandsignalen, die mit Antennenspulen hoher Güte empfangen worden sind, kann die Bitfehlerrate gegenüber Maximum-Likelihood-Verfahren aus dem Stand der Low-Frequency-Transpondertechnik deutlich verringert werden. Durch Signalverarbeitung wird auch die Energieversorgung stabilisiert. Mit einem Verfahren zur Trägerfrequenzadaption wird je nach Umgebungseinfluss eine signifikant bessere Energieversorgung als mit adaptiven Verfahren nach dem Stand der Technik erreicht.

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Zitierform:

Jacobi, Rebekka Carmen: Entwurf und Implementierung von Verfahren und Algorithmen in Transponderlesegeräten zur Optimierung der Übertragungseigenschaften von LF-Transpondersystemen. 2015.

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