ОБНАРУЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ Российский патент 2000 года по МПК G06K7/08 G01S13/02 G01S13/74 

Данное изобретение относится к системе обнаружения частоты, в частности к системе, способной измерять сдвиг частоты в сигнале, который может подвергаться фазовому сдвигу.

Примером применения такой системы обнаружения является электронная идентификационная система, содержащая запросчик и один или более бесконтактных ответчиков. Сигнал на первой частоте излучается запросчиком, а бесконтактный ответчик возвращает в ответ второй сигнал на слегка отличной частоте; разность частот может быть малой по величине и должна измеряться очень точно. Эта разность частот идентифицирует конкретный ответчик.

В некоторых электронных идентификационных системах, например в системе, используемой для управления закрытой дверью, или в кассе супермаркета, чтобы обеспечить автоматический подсчет стоимости выбранных продуктов, расстоянием между запросчиком и ответчиком можно управлять и система, соответственно, конструируется для работы. Часто ответчики устроены так, чтобы изменять добротность системы в виде характеристики каждого ответчика, и тогда измеряется изменение добротности. Часто изменение добротности достигается закорачиванием катушки ответчика, и такая система описана в нашей совместно поданной патентной заявке Великобритании N 9505350.0, заявленной 16 марта 1995 года.

Если же, однако, расстояние между ответчиком и запросчиком увеличивается, то влияние закороченной катушки может быть слишком мало, чтобы дать значительное изменение добротности. Для увеличения рабочего расстояния системы требуется высокочастотное устройство обратной сигнализации, как установлено в наших патентных заявках Великобритании N 9508600.5, заявленной 27 апреля 1995 года, и N 9511085.4, заявленной 1 июня 1995 года.

Недостаток устройства по этим заявкам состоит в том, что ответчик требует увеличенного уровня энергии, который не может быть легко приложен.

Первой задачей изобретения является обеспечение системы обнаружения частоты на основе цифрового фильтра с новым устройством ввода.

Второй задачей изобретения является обеспечение электрической идентификационной системы на основе системы ответчика с закороченной катушкой, способной работать на сверхзначительных расстояниях без необходимости в источнике высокой мощности.

Согласно изобретению полосовой фильтр содержит:
первое запитывающее средство для подачи первого периодического аналогового сигнала на средней частоте;
делительное средство для деления средней частоты f₁ на целое число N и подачи сигнала поделенной частоты на цифровой фильтр в качестве системного тактового сигнала упомянутого цифрового фильтра;
второе запитывающее средство для подачи второго периодического аналогового сигнала на подлежащей измерению частоте f₂, которая отличается от средней частоты на малую величину;
задерживающее средство для задержки второго сигнала на N периодов;
вычитающее средство для приема текущего второго сигнала S_Т и задержанного второго сигнала S_З и для подачи какой-либо разности на цифровой фильтр в качестве разностного сигнала,
при этом цифровой фильтр выдает выходной сигнал, в котором средняя частота подавлена и который относится к частоте второго сигнала.

Задерживающее средство обычно содержит динамическую память, а целое число N обычно равно 20.

Также согласно изобретению запросчик для электронной системы обнаружения содержит первый генератор, приспособленный для передачи периодического аналогового запросного сигнала на средней частоте;
антенное средство для приема второго сигнала на частоте, отличающейся на малую величину от средней частоты;
задерживающее средство для задержки второго сигнала на N периодов, где N представляет собой целое число;
вычитающее средство для приема второго сигнала и задержанного второго сигнала и для подачи какой-либо разности в качестве разностного сигнала на цифровой фильтр; и
средство деления частоты для деления сигнала средней частоты на целое число N и подачи поделенной частоты на цифровой фильтр в качестве системного тактового сигнала упомянутого цифрового фильтра;
посредством чего выход цифрового фильтра имеет подавленную среднюю частоту и относится к частоте второго сигнала.

Делительное средство может представлять собой петлю фазовой автоподстройки, содержащую фазовый дискриминатор, запитываемый первым генератором, генератор, управляемый напряжением, и делительный блок.

Изобретение будет описано посредством примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, где
фиг.1 иллюстрирует принцип электронной идентификационной схемы;
фиг.2 представляет, частное в виде блок-схемы, запросчик согласно изобретению;
фиг. 3а и 3б иллюстрируют изменения в токе и напряжении антенны запросчика;
фиг. 4а и 4б иллюстрируют соответственно выход по напряжению и по частоте емкостного трехточечного генератора с параллельным питанием; и
фиг. 5 иллюстрирует текущий и предыдущий сигналы, поданные на вычитающее устройство.

На фиг. 1 электронная идентификационная схема содержит запросчик 10 и пассивный ответчик 12. Запросчик передает мощность на ответчик, как отмечено позицией 14, например, на частоте f₁ = 150-256 кГц, а ответчик использует эту мощность для работы схемы и для ответа идентификационным сигналом 16, модулированным по амплитуде, частоте или фазе известными методами. К примеру, ответчик изменяет частоту сигнала на частоту f₂ путем изменения общей добротности системы. Запросчик 10 имеет передающую антенну 18 и приемную антенну 20.

Как рассмотрено в патентной заявке заявителя N9505350.0, заявленной 16 марта 1995 года, ответчик 12 имеет передающую данные антенну 22, которая модулируется закорачиванием ее катушки, так что добротность системы запросчик-ответчик меняется. Конструкция этой антенны такова, что форма резонансной кривой широкая и плоская, так что обнаружение небольшого изменения частоты не может быть достигнуто известными методами.

Фиг. 2 представляет схему запросчика, способную обнаруживать малое изменение частоты в таких условиях и включающую полосовой фильтр согласно настоящему изобретению. Первичная катушка передающей антенны 18 запросчика 10 подключена к инверторной схеме, содержащей два МОП-транзистора 30, 32, а кроме того, каждый конец катушки 18 подключен к одному из двух конденсаторов 36, 38. Эта схема образует емкостной трехточечный генератор с параллельным питанием ("генератор Колпитса"), обозначенный позицией 31, и его параметры выбраны, таким образом, в противоположность обычным принципам конструирования, чтобы этот генератор был нестабильным. Инверторная схема имеет большую способность к возбуждению, а потому и большую передачу энергии.

Представляющий сигнал выход генератора, который на фиг. 2 обозначен f₁, V₃, соединен с фазовым компаратором 40, выход которого подключен к генератору 42, управляемому напряжением (ГУН). ГУН 42 подключен к делителю 44, который обеспечивает второй вход на фазовый дискриминатор 40, а также на цифровой фильтр 48. Этот фильтр 48 имеет высокую внутреннюю точность; он может быть 32-разрядным фильтром IEEE с плавающей запятой.

Приемная антенна 20 запросчика подключена к фильтру 50 защиты от наложения спектров, выход которого подключен через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 52 ко входной схеме 46 фильтра 48, обеспечивая сигнал с частотой f₂.

Фиг. 3а и 3б являются соответственно кривыми тока через первичную катушку антенны 18 и напряжения на ней при запуске схемы; из них видно, что стандартная частота достигается быстро, а токи могут доходить до ± 50 мА.

ГУН 42 генерирует частоту, которая в восемь раз больше частоты сигнала V₃ от генератора Колпитса, и подает ее на цифровой фильтр 48 в качестве тактового сигнала. Делитель 44 делит эту частоту в N раз для подачи на фазовый дискриминатор 40, как отмечено позицией V₅.

Фазовый дискриминатор 40 и ГУН 42 образуют петлю фазовой автоподстройки. При запуске генератора 31 Колпитса ГУН быстро достигает той же частоты, а затем фиксируется на ней.

Предположим теперь, что ответчик 12 модулируется для изменения добротности системы. Эта модуляция вызывается закрыванием и открыванием ключа в ответчике 12 для закорачивания части его катушки 22, и этот эффект иллюстрируется на фиг. 4а, которая показывает напряжение на катушке приемной антенны 20; когда ключ закрывается, размах напряжения остается неизменным, хотя абсолютная величина сигнала изменяется; это представляет собой заметный контраст со схемой запросчика-прототипа, которая обнаруживает поглощение энергии и поэтому допускает значительное изменение в размахах сигнала. Показан эффект от одного закрывания и открывания ключа, т.е. одного бита данных ответчика.

Фиг. 4б показывает выход генератора Колпитса; из-за того, что он сделан нестабильным, его частота следует за частотой, передаваемой антенной 22 ответчика и принимаемой приемной антенной 20; в действительности имеет место малое изменение в частоте, слабо заметное на этом чертеже.

ГУН 42 обычно содержит конденсатор и токовый инжектор и, не имея катушки, нечувствителен к изменениям в частоте сигнала, принимаемого от ответчика 12, ГУН отрабатывает изменения частоты только через петлю фазовой автоподстройки.

Входная схема 46 цифрового фильтра 48 содержит динамическую память 54 и вычитающий блок 56, выход которого подан на фильтр 48. Динамическая память 54 подает на вычитающий блок 56 как текущее значение S_Т сигнала, подаваемого аналого-цифровым преобразователем 52, так и значение S_З, предшествующее этому сигналу за N периодов, где N - целое число, связанное с делителем 44. Как правило, N равно 20.

Эффект состоит в обеспечении полосового фильтра на частоте сигналов S_З и S_Т этот эффект иллюстрируется на фиг. 5. Два сигнала S_З и S_Т одинаковы по частоте, но отличаются по фазе. Поскольку к тактовому сигналу фильтра применено деление на 20 делителем 44, период сигнала повторяется каждые 20 отсчетов. Векторные величины текущего и предыдущего сигналов S_Т, S_З для каждой пары отсчетов даны в таблице.

Можно видеть, что соотношение сигналов повторяется каждые 20 периодов, так что, если вычитатель вычитает сигнал, задержанный на время, соответствующее 20 периодам от незадержанного сигнала, результат равен нулю. Это не зависит от того, какая пара задержанного и незадержанного сигналов вычитаются, и не зависит от того, какая часть периодического сигнала используется.

Если сигнал, принимаемый от антенны 20, одинаков по частоте с сигналом, излученным антенной 18, выход вычитающего блока 56 равен нулю. В результате эта частота подавлена.

Предположим, однако, что ответчик 12 посылает свой характеристический сигнал, который слегка отличается по частоте от запросного сигнала. Сигналы S_З и S_Т, теперь слегка сдвинуты, и сигнал вычитающего блока каждые 20 периодов не равен нулю; этот сигнал подается на цифровой фильтр 48, который выдает сигнал, индицирующий частоту, принимаемую антенной 20, т.е. частоту, связанную с конкретным ответчиком, но с подавлением излученной частоты. Выход цифрового фильтра 48 может быть подключен к обычному средству анализа сигнала (не показано) для индикации идентичности ответчика. К примеру, если система используется в кассе супермаркета, сигнал идентичности может быть связанной ценой предмета, к которому прикреплен этот ответчик.

Для обеспечения идентификации второго ответчика схема должна быть сброшена обычными средствами (не показано). Генератор 31 Колпитса и ГУН 42 еще раз фиксируются на передаваемой запросной частоте, и процесс запроса, приема и идентификации повторяется.

На практике петлевой фильтр в дискриминаторе отсоединяется в тоже самое время, когда запросный сигнал излучается антенной 18. Выполняется измерение частоты, и петлевой фильтр подключается вновь, тем самым производя сброс системы.

Во время измерения частоты ГУН 42 остается зафиксированным на исходной частоте генератора 31 Колпитса. Частота нестабильного генератора 31 Колпитса на деле может измениться, но ГУН 42 продолжает подавать тактовый сигнал на цифровой фильтр 48 на исходной частоте делителя.

В результате используется частотная составляющая ГУН, и фаза сигнала не влияет на поведение цифрового фильтра.

Электронная идентификация согласно изобретению позволяет быстро идентифицировать большое число различных ответчиков. В применении к кассе супермаркета вся загрузка товаров в тележке может быть идентифицирована в относительно короткое время.

Во втором применении полосового фильтра согласно изобретению сигнал, излучаемый антенной 18, является радиолокационным сигналом, действующим на доплеровском принципе, к примеру, в известной конструкции системы предупреждения о вторжении. Такие радиолокаторы часто работают на частоте 120 кГц, и аналого-цифровой преобразователь работает слишком медленно для обнаружения отраженного радиолокационного сигнала. Для такого применения полосовой фильтр согласно изобретению является идеальным. Устройство, подробно описанное выше, можно применять непосредственно, с регулировкой для работы на подходящих частотах.

В полосовом фильтре первый периодический аналоговый сигнал V₃ на средней частоте делится на целое число N делителем 44 и поделенный по частоте сигнал подается на цифровой фильтр 48 в качестве системного тактового сигнала; второй периодический аналоговый сигнал на подлежащей измерению частоте, отличающейся на малую величину от средней частоты, задерживается на N периодов динамической памятью 54; вычитатель 56 вычитает второй сигнал из задержанного второго сигнала и подает какую-либо разность на цифровой фильтр 48; выход цифрового фильтра относится к частоте второго сигнала, а средняя частота подавлена. Фильтр может использоваться в запросчике для электронной системы обнаружения, в которой запросный сигнал изменяется по частоте на малую величину, характеризующую подлежащее обнаружению устройство. Технический результат - увеличение быстродействия. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Полосовой фильтр, отличающийся тем, что содержит первое запитывающее средство (31) для подачи первого периодического аналогового сигнала на средней части (f₁), делительное средство (44) для деления средней частоты на целое число N и подачи сигнала поделенной частоты на цифровой фильтр (48) в качестве системного тактового сигнала упомянутого фильтра; второе запитывающее средство (20, 50, 52) для подачи второго периодического аналогового сигнала на подлежащей измерению частоте (f₂), которая отличается от средней частоты на малую величину; задерживающее средство (54) для задержки второго сигнала на N периодов; вычитающее средство (56) для приема текущего второго сигнала S_т и задержанного второго сигнала S_з и для подачи какой-либо разности на цифровой фильтр в качестве разностного сигнала, посредством чего цифровой фильтр выдает выходной сигнал, в котором средняя частота подавлена и который относится к частоте второго сигнала. 2. Полосовой фильтр по п.1, отличающийся тем, что задерживающее средство содержит динамическую память (54). 3. Полосовой фильтр по п.1 или 2, отличающийся тем, что целое число N равно 20. 4. Запросчик для электронной системы обнаружения, отличающийся тем, что содержит первый генератор (31), приспособленный для передачи периодического аналогового запросного сигнала на средней частоте; антенное средство (20) для приема второго сигнала на частоте, отличающейся на малую величину от средней частоты; задерживающее средство (54) для задержки второго сигнала на N периодов, где N представляет собой целое число; вычитающее средство (56) для приема второго сигнала и задержанного второго сигнала и для подачи какой-либо разности в качестве разностного сигнала на цифровой фильтр (48); средство (40, 42, 44) деления частоты для деления сигнала средней частоты на целое число N и подачи сигнала поделенной частоты на цифровой фильтр в качестве системного тактового сигнала упомянутого фильтра, при этом выход цифрового фильтра имеет подавленную среднюю частоту и относится к частоте второго сигнала. 5. Запросчик по п.4, отличающийся тем, что делительное средство содержит петлю фазовой автоподстройки, включающую в себя фазовый дискриминатор (40), запитываемый первым генератором (31), генератор (42), управляемый напряжением, и делительный блок (44).