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EINLEITUNG
UND ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektronische RFID-Systeme (radio frequency
identification) und insbesondere solche Systeme, die mindestens einen
Interrogator oder ein Reader und mehrere Transponder enthalten.
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Bei
bekannten Systemen der oben erwähnten
Art wird bewirkt, daß der
Interrogator ein Hochfrequenz-(HF)-Abfragesignal in Richtung auf die Transponder
sendet. Die Transponder reagieren auf dieses Signal durch Rückstreumodulation
des Abfragesignals mit einer Datennachricht, die Basisdaten enthält, die
einen für
den Transponder charakteristischen Identifikationscode enthalten
können.
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Während des
Sendens durch die Transponder kann ein kurzer Burst hochintensiven
Funkrauschens von einer beliebigen Quelle den Funkempfänger des
Interrogators möglicherweise
vorübergehend überlasten.
Ein Rauschburst kann aus Quellen wie unter anderem Naturphänomenen
entstehen, anderen aktiven Transpondern in dem Interrogatorantennenfeld,
die Daten gleichzeitig senden, oder aus Signalen, die von anderen,
mit dem RFID-System nicht assoziierten Funkdiensten emittiert werden.
Der Effekt ist, daß die
Nachricht zumindest für
einen Teil der Dauer des Rauschbursts verfälscht wird, was zu einem „Burstfehler" in der Nachricht
führt.
In einem digitalen Netz führt
ein Rauschburst in der Regel zu einem Burstfehler, bei dem einige
oder alle einer aufeinanderfolgenden Sequenz von Datenbit inkorrekt empfangen
werden.
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Eine
zweite Art von Burstfehler kann in den übertragenen Datenbit auftreten,
wenn das Signal aufgrund von Fading bei der Ausbreitung vorübergehend
unter dem Schwellwert des Empfängers
des Interrogators liegt. Alternativ kann es zu einem Signalausfall
kommen aufgrund einer Auslöschung,
die durch Mehrwegeübertragung
zwischen dem Transponder und dem Interrogator verursacht wird. Der Gesamteffekt
auf die gesendeten Daten ist insofern der gleiche, als ein Burstfehler
auftritt, wobei einige oder alle einer Reihe aufeinanderfolgender
Basisdatenbit inkorrekt empfangen werden.
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Es
hat sich herausgestellt, daß typische Burstfehler
bei Übertragungen
der von dem System und Verfahren gemäß der Erfindung verwendeten
Art vier (4) bis sechs (6) Bit lang sind. Da Burstfehler ein statistisches
Phänomen
sind, bedeutet dies, daß es viele
gibt, die kürzer
sind, und einige, die möglicherweise
länger
sind als 4–6
Bit. Die Burstfehlerlänge und
das mittlere Intervall zwischen Bursts variieren mit der Frequenz
und der Herkunft des Rauschens. Deshalb muß jedes Verfahren, das zur
Korrektur oder Kompensation von Burstfehlern verwendet wird, idealerweise
robust genug sein, um mit einem oder mehreren Burstfehlern variierender
Länge innerhalb einer
einzelnen Datennachricht fertig zu werden.
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Es
können
mehrere Ansätze
genommen werden, um den Effekt von Burstfehlern in einer digitalen
Datennachricht zu behandeln. Der erste Schritt besteht darin, zu
detektieren, daß sie
aufgetreten sind. Digitale Fehlerdetektionstechniken wie etwa Paritätsprüfung und
die zyklische CCITT-Blocksicherung (CRC-Cyclic Redundancy Check) sind zur Fehlerdetektion
in Systemen verwendet worden, die digitale Nachrichten zum Führen der
Basisdaten verwenden. Ein üblicher
Ansatz, um eine präzise
Kommunikation sicherzustellen, besteht darin, Fehlerdetektion in
Verbindung mit einer Neuübertragung
auf Anforderung (wie etwa ein ACK/NAK-Protokoll) als Verfahren zu verwenden,
um einen präzisen
Datennachrichtenempfang sicherzustellen. Die Nachricht wird so lange wiederübertragen,
bis kein Fehler detektiert wird. Dieses Verfahren funktioniert so
lange, bis einige freie rauschfreie Intervalle vorliegen, die lange
genug sind, damit die ganze Nachricht hineinpaßt und ohne Fehler empfangen
wird – wenn
das Intervall zwischen Rauschburst kleiner ist als die Nachrichtenlänge, kann
es nicht erfolgreich sein. Aus diesem Grund werden lange Nachrichten üblicherweise
in eine Sequenz vieler kurzer Datenpakete zerlegt, die jeweils als
eine separate geordnete Komponente des ganzen Verfahrens behandelt
und separat gesendet wird.
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Nachdem
alle die Pakete korrekt empfangen worden sind, können die kompletten Basisdaten
wieder präzise
zusammengesetzt werden.
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Eine
größere Schwäche bei
diesem Verfahren besteht darin, daß längere Kommunikationszeit erforderlich
ist, sowohl von dem zusätzlichen
Kommunikationsoverhead der Paketübertragung
und von der Anzahl der Neuübertragungen,
die möglicherweise
erforderlich sind, damit die ganze einzelne Nachricht (oder alle
ihre Komponentenpakete) einmal ohne Fehler empfangen wird. Eine
zweite Schwäche dieses
Verfahrens besteht darin, daß es
erfordert, daß die
Datennachrichtquelle mit dem Empfänger in einer Zweiwegekommunikation
steht. Dies ist nicht immer möglich,
etwa bei Kommunikation im Weltraum.
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Vorwärtsfehlerkorrektur
(FEC – Forward
Error Correction) wird verwendet, wenn Daten über verrauschte Kanäle gesendet
werden müssen,
und bei Situationen wie etwa der Kommunikation im Weltraum, wenn
Neuübertragung
auf Anforderung nicht möglich
ist. Dies beinhaltet das Senden einiger redundanter Informationen
zusammen mit den erforderlichen Basisdaten als Teil der ganzen Datennachricht.
Der Empfänger
kann anhand der Totalität
der in der Nachricht empfangenen Datensätze bestimmen, ob die Basisdaten
korrekt empfangen wurden, und verwendet diese zusätzlichen
Datensätze,
um fehlerhafte Datenbit zu detektieren und zu korrigieren, bis die
Basisdaten ohne Fehler rekonstruiert werden können oder mit einem annehmbaren
Genauigkeitsniveau.
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Ein
Ansatz zur FEC besteht darin, die Basisdaten innerhalb der Datennachricht
mehrfach neu zu übertragen,
möglicherweise
als algorithmisch transformierte, und Abstimmungstechniken anzuwenden, um
die korrekten Basisdatenbit in Gegenwart von Rauschen zu bestimmen.
Dieses Verfahren wurde von Lowe im US-Patent 5,742,618 verwendet. Der Hauptnachteil
davon besteht darin, daß es
das Codieren mehrerer Kopien der Basisdaten in der Datennachricht
als ein Mittel zum Sicherstellen eines präzisen Empfangs erfordert, wodurch
die Übertragungszeit
stark vergrößert wird.
Außerdem
erfordert dieses Verfahren zwar wenig Rechenkapazität, ist aber
bei der Fehlerkorrektur nicht-deterministisch. Es erfordert nur,
daß eine
Mehrheit der empfangenen Datensätze übereinstimmen,
und zwar ungeachtet dessen, ob sie korrekt empfangen wurden oder
nicht.
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WO
96/28941 beschreibt ein Hochfrequenzidentifikationssystem, das mindestens
einen Interrogator und mindestens einen Transponder umfaßt. Der
Interrogator kann mehrere Interrogatorrahmen an den Transponder
senden. Jeder Interrogatorrahmen enthält eine Initialisierungssequenz
und mindestens eine Informationssequenz fester Länge und eine zyklische Blocksicherungssequenz
fester Länge.
Ein Transponder kann mehrere Transponderrahmen an den Interrogator übertragen.
Jeder Transponderrahmen enthält
eine Initialisierungssequenz und mindestens eine Informationssequenz
fester Länge
und eine zyklische Blocksicherungssequenz fester Länge. Ein zuverlässiges Kommunikationsprotokoll
zwischen dem Interrogator und einem Transponder beinhaltet, daß der Interrogator einen
Abfragerahmen sendet und der Transponder jeden von dem Interrogator
gesendeten Rahmen bestätigt.
Wenn irgendein Rahmen nicht ganz oder auf der Basis der Prüfsequenz inkorrekt
empfangen wird, startet das Protokoll dann erneut damit, daß der Interrogator
einen weiteren Abfragerahmen sendet.
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US-5,341,396
beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Senden eines Direktsequenz-Spreizspektrum-Kommunikationssystemsignals.
Ein Sender kann einen Vorwärtsfehlerkorrekturcodierer
und ein Empfänger
kann einen Vorwärtsfehlerkorrekturdecodierer
enthalten. Durch den Vorwärtsfehlerkorrekturcodierer
erhält
das Informationssignal Redundanz, so daß während der Übertragung des Spreizspektrumsignals
auftretende Fehler von den Vorwärtsfehlerkorrekturdecodierern
in anderen Sender/Empfängern
im Netz detektiert und korrigiert werden können. Erwähnte geeignete Fehlerkorrekturcodes
sind Trellis-Codes und Reed-Solomon-Codes.
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Dementsprechend
besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung
eines elektronischen Identifikationssystems; eines Transponders,
der Teil eines derartigen Systems bildet; und eines Verfahrens zum
Betreiben eines RFID-Systems, womit, wie der Anmelder glaubt, die oben
erwähnten
Nachteile zumindest gemildert werden können.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein elektronisches Identifikationssystem
bereitgestellt, das folgendes enthält: einen Interrogator für das Übertragen
eines ersten Hochfrequenzabfragesignals; mehrere Hochfrequenztransponder;
wobei jeder Transponder im Betrieb als Reaktion auf das erste Abfragesignal
reagiert durch Rückstreumodulation des
ersten Abfragesignals mit einer vorwärtsfehlerkorrigierbaren Datennachricht,
wobei die Nachricht folgendes enthält: i) Basisdaten codiert als
ein erster Satz von Symbolzeichen gemäß einem ersten Vorwärtsfehlerkorrekturcode,
und ii) einen ersten Satz von Überprüfungszeichen,
auf der Basis der Basisdaten nach Definition in dem ersten Vorwärtsfehlerkorrekturcode
zum Erleichtern der Rekonstruktion der Basisdaten im Fall der Verfälschung
der vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht während der Übertragung;
und wobei der Interrogator folgendes enthält: Empfängermittel zum Empfangen der vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht und Datenprozessormittel, die programmiert sind,
um Daten bezüglich
des ersten Vorwärtsfehlerkorrekturcodes, des
ersten Satzes von Symbolzeichen und des ersten Satzes von Prüfzeichen
in der empfangenen vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht zu verwenden, um die Basisdaten im Fall der Verfälschung
der empfangenen vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht zu rekonstruieren.
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Der
Vorwärtsfehlerkorrekturcode
kann ein Mitglied der Klasse von Trellis-Codes sein, insbesondere
der Klasse von Faltungscodes.
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Alternativ
kann der Vorwärtsfehlerkorrekturcode
ein Mitglied der Klasse von linearen Blockcodes sein, wie etwa ein
Hamming-Code, ein binärer
Golay-Code und ein Reed-Muller-Code.
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Weiter
als Alternative kann der Vorwärtsfehlerkorrekturcode
ein Mitglied der Klasse der zyklischen Blockcodes wie etwa ein Fire-Code
und ein Bose-Chauduri-Hocquenghem-Code
sein. Bevorzugt ist der Vorwärtsfehlerkorrekturcode
ein Reed-Solomon-Code.
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Bei
einer Ausführungsform
kann das System folgendes enthalten: ein Codegeneratormittel zum Erzeugen
der vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht, wobei das Generatormittel extern und getrennt von
den Transpondern ist; und jeder Transponder kann enthalten: eine
Datenspeicheranordnung, in der die von dem externen Codegeneratormittel
erzeugte vorwärtsfehlerkorrigierbare
Datennachricht gespeichert wird; und Steuerschaltungen zum Bewirken,
daß der
Transponder als Reaktion auf das Abfragesignal mit der gespeicherten
vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht reagiert.
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Das
Codegeneratormittel kann beispielsweise Teil des Interrogators bilden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
kann jeder Transponder folgendes enthalten: eine Datenspeicheranordnung,
in der die Basisdaten gespeichert sind; und Teil des Transponders
bildende lokale Codegeneratormittel zum lokalen Erzeugen der vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Transponder bereitgestellt
zur Verwendung mit einem elektronischen Identifikationssystem, enthaltend:
einen Interrogator zum Senden eines Hochfrequenzabfragesignals und
zum Empfangen eines Antwortsignals von dem Transponder, wobei der
Transponder folgendes enthält:
Steuermittel und eine Datenspeicheranordnung, in der mit dem Transponder
assoziierte Daten programmiert werden können, wobei das Steuermittel
in Betrieb als Reaktion auf ein Abfragesignal die mit dem Transponder
assoziierten Daten verwendet, um zu bewirken, daß der Transponder durch Rückstreumodulation
des Abfragesignals mit einer vorwärtsfehlerkorrigierbaren Datennachricht
reagiert, wobei die Nachricht folgendes enthält: i) Basisdaten bezüglich des
Transponders, wobei die Basisdaten als Symbolzeichen gemäß einem
Vorwärtsfehlerkorrekturcode
codiert sind; und ii) Prüfzeichen,
auf Basis der Basisdaten nach Definition in dem Vorwärtsfehlerkorrekturcode,
um die Rekonstruktion der Basisdaten im Fall der Verfälschung der
vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht während
der Übertragung
zu erleichtern.
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Der
Vorwärtsfehlerkorrekturcode
kann ein Mitglied einer beliebigen der oben erwähnten Klassen sein, ist aber
bevorzugt ein Reed-Solomon-Code.
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Bei
einigen Ausführungsformen
des Transponders kann die Datenspeicheranordnung konfiguriert sein,
um mit der vorwärtsfehlerkorrigierbaren Datennachricht
als von einem externen Codeerzeugungsmittel im voraus erzeugt zur
Speicherung darin programmiert zu werden; und das Steuermittel kann bei
Verwendung die gespeicherte vorwärtsfehlerkorrigierbare
Datennachricht verwenden, um auf das Abfragesignal zu reagieren.
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Bei
anderen Ausführungsformen
kann die Datenspeicheranordnung konfiguriert sein, mit den Basisdaten
programmiert zu werden; der Transponder kann lokale Codegeneratormittel
enthalten zum lokalen Erzeugen der vorwärtsfehlerkorrigierbaren Datennachricht;
und das Steuermittel kann bei Gebrauch die lokal erzeugte vorwärtsfehlerkorrigierbare Datennachricht
verwenden, um auf das Abfragesignal zu reagieren.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt
zum Betreiben eines elektronischen Hochfrequenzidentifikationssystems
mit einem Interrogator und mindestens einem Transponder; wobei das
Verfahren die folgenden Schritte enthält: Bewirken, daß ein erstes
Abfragesignal von dem Interrogator gesendet wird; Bewirken, daß der Transponder
auf das erste Abfragesignal durch Rückstreumodulation des ersten
Abfragesignals mit einer vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht reagiert, wobei die Nachricht folgendes enthält: i) Basisdaten
codiert als ein erster Satz von Symbolzeichen gemäß einem
ersten Vorwärtsfehlerkorrekturcode,
und ii) einen ersten Satz von Prüfzeichen,
auf der Basis der Basisdaten nach Definition in dem ersten Vorwärtsfehlerkorrekturcode
zum Erleichtern der Rekonstruktion der Basisdaten im Fall der Verfälschung
der Vorwärtsfehlerkorrigierbaren Datennachricht
während
der Übertragung;
und Bewirken, daß ein
Fehlerkorrekturmittel Daten bezüglich
des ersten Vorwärtsfehlerkorrekturcodes,
des ersten Satzes von Symbolzeichen und des ersten Satzes von Prüfzeichen
in der empfangenen vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht verwendet, um die Basisdaten im Fall der Verfälschung
der empfangenen vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht zu rekonstruieren.
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Wie
oben erwähnt
sind der erste Vorwärtsfehlerkorrekturcode
und der zweite Vorwärtsfehlerkorrekturcode
bevorzugt von unterschiedlicher Art.
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Eine
andere Form des Verfahrens kann die folgenden Schritte enthalten:
Bewirken,
daß ein
ausgewähltes
des ersten und ein zweites Abfragesignal gesendet werden; Bewirken, daß jeder
Transponder als Reaktion auf das erste Abfragesignal mit einer ersten
vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht reagiert, die den ersten Satz von Symbolzeichen und
den ersten Satz von Prüfzeichen
enthält;
Bewirken, daß jeder
Transponder als Reaktion auf das zweite Abfragesignal mit einer
zweiten vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht reagiert, die den zweiten Satz von Symbolzeichen
und den zweiten Satz von Prüfzeichen
enthält;
Bewirken, daß die
erste und zweite vorwärtsfehlerkorrigierbare Datennachricht
empfangen werden; Bewirken, daß das
Fehlerkorrekturmittel Daten bezüglich
des ersten Fehlerkorrekturcodes, des ersten Satzes von Symbolzeichen
und des ersten Satzes von Prüfzeichen
in der empfangenen ersten vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht verwendet, um die Identifikationsdaten im Fall der
Verfälschung
der empfangenen ersten vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht zu rekonstruieren; und Bewirken, daß das Fehlerkorrekturmittel
Daten bezüglich
des zweiten Fehlerkorrekturcodes, des zweiten Satzes von Symbolzeichen und
des zweiten Satzes von Prüfzeichen
in der empfangenen zweiten vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht verwendet, um die anderen Basisdaten im Fall der
Verfälschung
der empfangenen zweiten vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht zu rekonstruieren.
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Die
Erfindung wird nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Diagramme näher
beschrieben. Darin zeigt:
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1 ein
grundlegendes Blockdiagramm eines elektronischen Hochfrequenzidentifikations-RFID-Systems
gemäß der Erfindung;
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2 ein
Diagramm, das die Taxonomie von Vorwärtsfehlerkorrekturkanalcodes
veranschaulicht;
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3 ein
Beispiel einer von Teil des Systems bildenden Transpondern gesendeten
vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht;
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4 ein
weiteres Beispiel einer von Teil des Systems bildenden Transpondern
gesendeten vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht;
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5 noch
ein weiteres Beispiel der Nachricht, wobei aber Zeichen in der Nachricht
in zwei Blöcken
angeordnet sind;
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6 noch
ein weiteres Beispiel der Nachricht wo sie aber in erste und zweite
Teile unterteilt ist, die jeweils ihre eigenen Prüfzeichen
aufweisen;
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7 ein
grundlegendes Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Transponders
gemäß der Erfindung;
und
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8 ein
grundlegendes Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Transponders gemäß der Erfindung.
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BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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In 1 ist
ein elektronisches Hochfrequenzidentifikationssystem (RFID) gemäß der Erfindung allgemein
mit der Bezugszahl 10 bezeichnet.
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Das
System enthält
einen Interrogator oder Reader 11 und mehrere ähnliche
Transponder, die numeriert sind mit Transponder #1 bis Transponder #n
und mit 12.1 bis 12.n bezeichnet sind. Bei Verwendung
wird bewirkt, daß der
Interrogator ein Abfragesignal 14 über den Sender 15 sendet.
Die Transponder werden über
das Abfragesignal bestromt und es wird bewirkt, daß sie auf
das Abfragesignal durch Rückstreumodulation
des Abfragesignals mit einer vorwärtsfehlerkorrigierbaren Datennachricht
reagieren (die im weiteren ausführlicher
beschrieben wird), um Antwortsignale 16.1 bis 16.n zu
bilden.
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Bei
Verwendung synchronisiert sich der Interrogator sequentiell auf
eines der Antwortsignale, empfängt
das Signal über
Empfänger 18 und
liest die Datennachricht. Die Datennachricht wird dann, wie im folgenden
beschrieben wird, von einem Datenprozessor 20 eines Controllers 22 des
Interrogators 11 verarbeitet, auch enthaltend eine mit
dem Datenprozessor assoziierte Speicheranordnung 24. Ebenfalls mit
dem Controller verbunden ist eine Datenschnittstelle 26 zur
Verwendung in entsprechenden Fällen beim
Vorprogrammieren ausgewählter
einzelner der Transponder 12.1 bis 12.n mit einer
vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht, wie im folgenden ebenfalls beschrieben wird. Gemäß der Erfindung werden
mit den Transpondern assoziierte Basisdaten durch in 2 gezeigte
Fehlerkorrektur-(FEC)-Kanalcodes 30 codiert.
Im Hinblick auf diese Codes werden Prüfsymbole während der FEC-Codierung zu den
symbolzeichencodierten Basisdaten hinzugefügt, um die Korrektur möglicher
verfälschter
Datenbit im Antwortsignal auf algorithmische Weise zu erleichtern.
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Die
Verwendung von Vorwärtsfehlerkorrekturcodes
gestattet das Wiederherstellen der Daten bei Anwesenheit eines vorbestimmten
maximalen Ausmaßes
an Nachrichtsverfälschung
im Übertragungsprozeß. FEC reduziert
die Anzahl der Neuübertragungen,
die erforderlich sind, damit Transponderidentifikationscode- oder „Nummernschild"-Daten und/oder andere
Daten korrekt empfangen werden, insbesondere wenn entweder mehrere
von gleichzeitig sendenden Transpondern vorliegen und/oder der zu
lesende Transponder sich in der Nähe seiner größten Leseentfernung
befindet, wobei das schwache empfangene Signal am meisten durch
Burstrauschen oder Fading beeinflußt wird. Sie vermeidet somit
das redundante Neuübertragen
der gleichen Nachricht, wie von Lowe in US-Patent 5,742,618 vorgeschlagen.
Dies kann zu einer Verbesserung bei der Geschwindigkeit des Lesens
der von den Transpondern 12.1 bis 12.n übertragenen
Daten führen.
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Die
Familie von zur Verwendung bei FEC wichtigen Kanalcodes 30 ist
schematisch in 2 gezeigt.
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Trellis-Codes 32 werden
im Gegensatz zu Blockcodes 34 dazu verwendet, eine willkürlich lange Eingangsnachricht
in eine willkürlich
lange Ausgangsnachricht zu codieren, ohne sie in Blöcke zu unterteilen.
Ein nicht gezeigter Codierer endlicher Zustände bestimmt jedes ausgegebene
Codesymbol auf der Basis des eingegebenen Symbols und des aktuellen
Codiererzustands.
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Lineare
Trellis-Codes sind auch als Faltungscodes 35 bekannt, weil
der ausgegebene Code als die mathematische diskrete Faltung der
eingegebenen Nachricht mit der Impulsantwort des Codierers angesehen
werden kann.
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Blockcodes 34 arbeiten über das
Unterteilen der Basisdaten in Blöcke
mit einer vordefinierten Länge.
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Die
Zeichen in jedem Block werden in Symbolzeichen unterteilt, die die
Basisdaten codieren, und gemäß einem
bestimmten Codieralgorithmus erzeugte Prüfzeichen, und in Abhängigkeit
nur von den Symbolzeichen in diesem Block und der Natur oder Art
des verwendeten Vorwärtsfehlerkorrekturcodes.
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Blockcodes 34 codieren
die Basisdaten zu k Symbolzeichen in einem Block mit der Länge von
n Zeichen, von denen (n – k)
Zeichen zur Fehlerdetektion oder sowohl zur Fehlerdetektion als
auch -korrektur verwendet werden. Hamming-Codes 36 waren bei
den ersten der vorwärtsfehlerkorrigierenden Blockcodes.
Diese linearen Codes waren so ausgelegt, daß sie einen beliebigen einzelnen
Fehler in dem Nachrichtenblock korrigieren. Die binären Hamming-Codes,
die in der Lage sind, h = (2m – 1) Werte zu
codieren, fügten
der binären
Datennachricht eine Reihe von (n – h) Paritätsprüfzeichen hinzu. Einfache Logikschaltungen
können
dann zum Korrigieren eines einzelnen Bitfehlers verwendet werden.
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Binäre Golay-Codes 38 sind
leistungsfähiger als
Hamming-Codes 36, da sie mehrere Fehler innerhalb des Blocks
korrigieren können.
Sie erfordern jedoch eine komplexere Decodierung und weisen praktische
Begrenzungen hinsichtlich der Blocklänge auf.
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Read-Muller-Codes 40 sind
eine Klasse von linearen Codes, die über binäre Galois-Felder definiert
sind. Sie sind besonders leicht zu codieren und zu decodieren. Zum
Erzeugen des Codes können
lineare Schieberegister verwendet werden, und eine Mehrheitslogik
kann zum Auswerten der Paritätsprüfgleichungen
verwendet werden.
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Fire-Codes 42 waren
die ersten mehrere Fehler korrigierenden zyklischen Codes, die systematisch
konstruiert wurden, um Burstfehler bei der binären Datenübertragung zu korrigieren.
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Zyklische
Codes 42 sind eine Teilmenge der linearen Blockcodes, die
Zeicheneigenschaften aufweisen, durch die sie leichter zu codieren
und zu decodieren sind als die meisten linearen Blockcodes. Unter
den zyklischen Codes sind die Bose-Chauduri-Hocquenghem-(BCH)-Codes 44 gekennzeichnet durch
leistungsfähige
Mehrfachfehlerkorrekturfähigkeiten,
die hinsichtlich der erforderlichen Anzahl von Prüfzeichen
effizient sind.
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Read-Solomon-Codes 46 und
insbesondere Read-Solomon-Codes über binäre Felder
(GF2q) sind eine wichtige Teilklasse der
zyklischen BCH-Codes, die zur Korrektur von Datennachrichten mit Burstfehlern
optimiert sind.
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Die
Techniken und Eigenschaften von Kanalcodierverfahren sind wohlbekannt
und finden sich in Handbüchern
wie etwa (a) Blahut, R. Theory and Practice of Error Control Codes,
2. Auflage, Addison-Wesley; Reading, Massachusetts, USA 1984; (b) Lin,
S. und D. J. Costello Error Control Coding: Fundamentals and Applications.
Prentice-Hall; Englewood Cliffs, New Jersey, USA 1983; (c) Wilson,
S. G. Digital Modulation and Coding. Prentice-Hall; Upper Saddle
River, New Jersey, USA 1996 und (d) Wicker S. B. und V. K. Bhargava
Reed-Solomon Codes and Their Applications. IEEE Press; Piscataway,
New Jersey, USA 1994.
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Bei über binäre Galois-Felder
GF(2q) definierten Reed-Solomon-Codes werden binäre Daten codiert,
indem sie zu Symbolzeichen mit einer Länge von q Bit zerlegt werden.
Symbolzeichen werden in Blöcken
der Länge
n = (2q – 1) angeordnet, wobei jeder
Block k Reed-Solomon-Prüfzeichen
enthält.
Die Prüfzeichen
weisen die Eigenschaften auf, daß alle k Prüfzeichen Funktionen aller der
(n – k)
Symbolzeichen sind. Alle die Reed-Solomon-Prüfzeichen können dazu verwendet werden, sowohl
Fehler zu detektieren als auch Fehler innerhalb des gesamten Nachrichtenblocks
einschließlich
der Symbolzeichen als auch der Prüfzeichen zu korrigieren.
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Wenn
während
der Übertragung
des Reed-Solomon-Symbol- und
Prüfzeichenstroms,
wobei jedes Zeichen q Bit lang ist, ein Burstfehler mit der Länge m Bit
auftritt, wobei 1 ≤ m ≤ q, dann wird
ein Minimum von b = 1 und ein Maximum von b = 2 aufeinanderfolgender
Reed-Solomon-Symbolzeichen für eine beliebige
Burstlänge
m = 1, 2, 3, ..., q verfälscht.
Für längere Rauschbursts
wird die maximale Anzahl aufeinanderfolgender verfälschter
Symbolzeichen kleiner oder gleich (m mod q) + 1 sein. Die sich ergebenden
Mehrfachbitburstfehler sind auf eine kleine Anzahl korrigierbarer
q-Bit-Reed-Solomon-Zeichen
beschränkt.
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Der
Rieger-Grenzsatz sagt aus, daß zum Korrigieren
aller Burstfehler der Länge
b oder weniger ein Blockcode mindestens 2b Paritätsprüfsymbole aufweisen muß. Für einen
beliebigen Blockcode der Blocklänge
n mit k Prüfzeichen
ist (n – k) – 2b = zwobei
z ein Maß für die Ineffizienz
des Blockcodes ist. Bei Reed-Solomon-Codes ist z = 0, so daß Reed-Solomon-Codes für die Korrektur
von verfälschten
Zeichen höchst
effizient sind. Zwei Prüfzeichen
können
verwendet werden, um irgendein verfälschtes Symbolzeichen im Block
in einer unbekannten Position innerhalb dieses Blocks zu korrigieren. Ein
Prüfzeichen
lokalisiert effektiv das fehlerhafte Symbolzeichen, und ein Prüfzeichen
wird verwendet, um seine Größe oder
seinen Wert zu korrigieren. Wenn die Position eines verfälschten
Symbolzeichens bekannt ist, kann es außerdem als eine „Löschung" behandelt werden,
was nur ein einzelnes Prüfzeichen
erfordert, um den Wert zu korrigieren. Die größte Anzahl korrigierbarer Löschungen
v und korrigierbarer Fehler t, die ein Reed-Solomon-Code GF(2q)
mit k Prüfzeichen
pro Block der Länge
n = (2q – 1) korrigieren kann, ist
gegeben durch: 2t + v ≤ k
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Wenn
Löschungen
nicht an sich bekannt sein können,
dann ist praktischerweise v = 0. Dies ist der normale Fall für die binäre Datenübertragung
in dem hier beschriebenen System und Verfahren. Ein gegebenes Symbol-
oder Prüfzeichen
kann durch isolierte Untersuchung nicht willkürlich als korrekt oder inkorrekt
bestimmt werden, weshalb jene Symbolzeichen, die Löschungen
sind, nicht bestimmt werden können.
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Es
wird angenommen, daß gegenwärtig Reed-Solomon-Codes
die leistungsfähigsten
der Mehrfachburstfehlerkorrekturcodes sind. Die maximal korrigierbare
Einzelburstlänge
ist mmax = (qt – 1) Bit lang. Da Burstfehler
häufiger
als einmal pro Block auftreten können,
sollte der Fehlerkorrekturcode deshalb in der Lage sein, mehrere
Bursts pro Nachricht zu korrigieren. Reed-Solomon-Codes gestatten,
daß eine
beliebige Anzahl von mehreren Burstfehlern variierender Länge innerhalb
eines gegebenen Blocks aus (n – k)
Symbolen bis zur Fehlerkorrekturkapazität des Blocks oder t Symbolen
korrigiert werden.
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In
der Praxis kann der Algorithmus zur Fehlerkorrektur besonders in
den stark verfälschten Nachrichtenblöcken mehrere
Basisdatenlösungen aufweisen.
Aus diesem Grund ist es üblich,
p Prüfzeichen
der k verfügbaren
in jedem Block für
den „Falschdecodierschutz" zu reservieren,
um die korrekte Lösung
zu prüfen.
Die Wahrscheinlichkeit eines Falschdecodierens wird somit auf 1(2q)p = 1:2qp reduziert. Die revidierte Formel für die maximale
Fehlerkorrekturkapazität
t für das
hier beschriebene System und Verfahren wird nun: 2t ≤ (k – p)
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Die
Berechnung der Reed-Solomon-Prüfziffern
und -Symbole während
der Nachrichtencodierung ist rechnerisch relativ einfach. Viele
Verfahren sind bekannt, die entweder Automaten oder Computerprogramme
verwenden, von denen mehrere in den oben erwähnten Literaturstellen zu finden
sind.
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Eine
eine Reed-Solomon-Fehlerkorrektur enthaltende Nachricht kann auf ähnliche
Weise auf die Anwesenheit von Fehlern prüfen. Die Verfahren zum Bestimmen
der Stelle von und des korrekten Werts für verfälschte Symbolzeichen sind ebenfalls bekannt.
Diese können
rechenaufwendig sein, liegen aber durchaus innerhalb der Fähigkeit
einer großen Anzahl
von im Handel erhältlichen
Mikroprozessoren.
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Die
obigen Grundlagen werden nun in einer bevorzugten Ausführungsform
für einen
Transponder mit damit assoziierten Basisdaten mit einer Länge von
256 Bit beschrieben. Unter Bezugnahme auf 1 wird bei
dieser Ausführungsform
angenommen, daß nur
die Rückdatenübertragung 16.1 bis 16.n von
dem Transponder 12.1 bis 12.m zu dem Interrogator 11 unter
Verwendung von Vorwärtsfehlerkorrektur
codiert wird, da diese Rücksignale 16.1 bis 16.n in
der Regel –60
db oder mehr unter dem bei den Transpondern 12.1 bis 12.n empfangenen
Abfragesignal 14 liegen. Für das Anwenden dieser spezifizierten
oder anderer FEC-Verfahren für
die Kommunikation zwischen dem Interrogator 11 und einem Transponder 12.1 bis 12.n gibt
es jedoch keine theoretische Barriere.
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Unter
Bezugnahme auf 3 verwendet diese bevorzugte
Ausführungsform
einen Reed-Solomon-Code auf der Basis eines binären Galois-Erweiterungsfelds
GF(26). Die 256 Bit in den Basisdaten werden
als dreiundvierzig (43)6-Bit-Symbolzeichen
(SC1 bis SC43) codiert, die kollektiv als 50 bezeichnet
sind, mit zwei Null-Stopfbit in dem dreiundvierzigsten Zeichen SC43
in den Bitpositionen 257 und 258.
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Eine
Blockgröße n = (26 – 1)
= 63 würde
mit Kollektiv als 52 bezeichneten k = 20 Reed-Solomon-6-Bit-Prüfzeichen
(CC1 bis CC20) die (n – k)
= 43-Sechs-Bit-Symbolzeichen
begleitend verwendet werden. Vier Fehldecodierschutzzeichen (p =
4) würden
sicherstellen, daß die
Wahrscheinlichkeit, daß in den
Basisdaten ein Fehler sich aus einer Decodierzweideutigkeit während der
Fehlerkorrektur ergibt, 1:(26)4 =
1:224 = 1:16.777.216 betragen würde. Die
verbleibenden 2t = 16 Prüfzeichen
würden
eine Korrektur von bis zu acht Symbolzeichen ermöglichen. Die sechzehn Prüfzeichen
reduzieren, wenn sie zur Fehlerkorrektur verwendet werden, weiter
die Wahrscheinlichkeit für
eine fehlerhafte Decodierung auf 1:(16.777.216 × 8). Die übertragene gesamtfehlerkorrigierbare
Datennachricht 54 würde
n = 63 Sechs-Bit-Reed-Solomon-Zeichen oder 378 Bit betragen.
-
Mehrfachburstfehler
könnten
korrigiert werden, wenn nicht mehr als t = 8 Symbolzeichen verfälscht wären. Der
längste
unsynchronisierte korrigierbare Einzelburstfehler würde eine
Länge von mmax = q(t – 1) + 1 = 6(8 – 1) + 1
= 43 Bit aufweisen. Bei einer mittleren Burstfehlerlänge von
sechs Bit könnten
innerhalb jeder Übertragung
mindestens vier Burstfehler korrigiert werden (die sich jeweils über zwei
Symbolzeichen und/oder Prüfzeichen
erstrecken). Sowohl längere
Einzelburstfehler als auch Mehrfachburstfehler über eine beliebige Kombination von
mehr als acht Symbol- und/oder Prüfzeichen hinweg würden detektiert
werden, auch wenn sie nicht korrigiert werden könnten.
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Da
hier ein einzelner Block verwendet wird, ist die Reihenfolge der
Symbolzeichen und Reed-Solomon-Prüfzeichen
innerhalb des Blocks unkritisch. In 4 ist ein
Diagramm einer vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht 56 gezeigt, in der die Prüfzeichen
CC1 bis CC20 unter den Symbolzeichen SC1 bis SC43 verteilt sind.
Wie in 5 gezeigt, wenn die Länge der Datennachricht länger ist
als ein Block, sollten die ähnlich
positionierten Zeichen in jedem der mehreren Blöcke 58 und 60 verschachtelt sein,
so daß Burstfehler über mehrere
Blöcke
sowie über
mehrere Symbole innerhalb jedes Blocks verteilt sind. Bei diesem
Beispiel sind die Basisdaten 512 Bit und die vorwärtsfehlerkorrigierbare
Datennachricht ist in zwei Blöcken 58 und 60 angeordnet, die
jeweils dreiundvierzig Sechs-Bit-Symbolzeichen und zwanzig Sechs-Bit-Prüfzeichen
enthalten. Die Symbolzeichen sind bezeichnet als SC1, SC2, ..., SC86
und die Prüfzeichen
1CC1, 1CC2, ..., 1CC20 und 2CC1, 2CC2, ..., 2CC20. Um die Immunität gegenüber Burstfehlern
zu verbessern, sind die Symbolzeichen SC1, ..., SC86 zwischen den
beiden Blöcken
verschachtelt.
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Bei
anderen Anwendungen ist es möglicherweise
erforderlich, aus anderen Daten in den Basisdaten einen Transponderidentifikationscode
oder „Nummernschild"-Daten herauszutrennen, die eindeutig
den Transponder betreffen. Die anderen Daten können Daten hinsichtlich eines
nicht gezeigten Gegenstands oder dergleichen enthalten, mit denen der
Transponder bei Gebrauch assoziiert ist. Die zwei Sätze von
Daten werden dann getrennt codiert, so daß jeder seine eigenen Symbolzeichen
und Prüfzeichen
aufweist, die an die Folge von Symbolzeichen angehängt sind.
Ein Block, der eine derartige vorwärtsfehlerkorrigierbare Datennachricht
enthält, ist
in 6 bei 62 dargestellt. Die Symbolzeichen
der Nummernschilddaten sind gezeigt als LD1 bis LD13 mit dem assoziierten
Prüfzeichen
als CLP1 bis CLP6. Die Symbolzeichen der anderen Daten sind gezeigt als
OD1 bis OD42 mit den assoziierten Prüfzeichen COD1 bis COD20. Bei
einigen Anwendungen werden die beiden Datensätze möglicherweise auch getrennt
und selektiv übertragen
als Reaktion auf das erste bzw. zweite Abfragesignal. Erste und
zweite fehlerkorrigierbare Datennachrichten 64 und 66 können somit
erzeugt werden, in denen ein Fehlerkorrekturcode einer ersten Art
verwendet wird, um die Nummernschilddaten zu codieren, und ein Fehlerkorrekturcode
einer zweiten Art verwendet wird, um die anderen Daten zu codieren.
Die Nachrichten können weiter
getrennt decodiert werden, um die Geschwindigkeit des Lesens mindestens
der Transponderidentifikationscodedaten zu erhöhen. Dies ist nützlich, wenn
unter mehreren Transpondern ein spezifischer Transponder gesucht
wird oder wenn alle die Transponder in dem von dem Interrogator
gesehenen Volumen schnell identifiziert werden. Die getrennte Übertragung
und Decodierung der vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht 64 mit den Identifikationscodedaten wird
zunehmend nützlich,
wenn die anderen Daten in den Basisdaten an Länge zunehmen, und zwar wegen
der erhöhten
Berechnung, die in den Vorwärtsfehlerkorrekturprozeduren
für lange
Nachrichten erforderlich ist.
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Der
Rechenanforderung für
den Transponder kann genügt
werden durch die Verwendung entweder eines internen oder eines externen
Codierers zum Codieren der Basisdatennachricht in die Reed-Solomon-Symbolzeichen
und zum Berechnen der Reed-Solomon-Prüfzeichenwerte. Wenn die Rechenanforderungen
bescheiden sind, könnte
es mit einer internen oder lokalen Automatenlogik unter Verwendung
von Teil des Transponders bildenden Schieberegistern geschehen.
Dies eignet sich insbesondere, wenn die im Transponder gespeicherten Basisdaten
programmierbar sind oder auf andere Weise einer Änderung unterworfen sind.
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Ein
Blockdiagramm einer Ausführungsform eines
Transponders mit dieser internen Fähigkeit ist in 7 mit 70 bezeichnet.
Der Transponder enthält eine
Antenne 72, einen Rückstreumodulator 74,
eine virtuelle Batterie 76, Steuerschaltungen 78 und
eine Datenspeicheranordnung 80, in der die Basisdaten gespeichert
sind. Ein lokaler FEC-Codegenerator 82 mit Automatenlogik
und Schieberegistern erzeugen die die Basisdaten verkörpernde
vorwärtsfehlerkorrigierbare
Datennachricht. Ein Datentakt 84 und Schieberegister 86 werden
von den Steuerschaltungen 78 verwendet, um den Rückstreumodulator 74 zu
steuern, um das Abfragesignal mit der vorwärtsfehlerkorrigierbaren Datennachricht
wie zuvor beschrieben einer Rückstreumodulation
zu unterziehen. Die Basisdaten können
durch eine externe Programmiereinrichtung (nicht gezeigt) in dem
Datenspeicher vorprogrammiert werden. Auf die gleiche Weise können die
Basisdaten später
geändert
werden.
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Wenn
die Basisdaten fest bleiben sollen, können alternativ alle Fehlerprüfzeichenberechnungen
von einer externen Codeerzeugungseinrichtung durchgeführt und
dann direkt in den Transponder zusammen mit den Basisdaten in Symbolform
geschrieben werden, wodurch die Notwendigkeit für eine etwaige Prüfzeichenberechnung
innerhalb des Transponders selbst vermieden wird.
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Ein
Blockdiagramm eines Transponders 88, der auf dieser Basis
arbeitet, ist in 8 gezeigt. Der Transponder ähnelt dem
in 7 gezeigten mit der Ausnahme, daß er keinen
lokalen FEC-Codegenerator enthält.
Die vorwärtsfehlerkorrigierbare
Datennachricht wird von der externen Codeerzeugungseinrichtung erzeugt,
die beispielsweise in dem Interrogator 11 verkörpert sein
kann. Die ganze vorwärtsfehlerkorrigierbare
Datennachricht wird, nachdem sie von dem Datenprozessor 20 des
Interrogators 11 erzeugt worden ist, über einen Datenkommunikationsweg,
der eine Datenschnittstelle 26 des Interrogators 11 und
eine Datenschnittstelle 90 des Transponders 88 enthält, in die
Datenspeicheranordnung 80 des Transponders 88 heruntergeladen.
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Zum
Decodieren der vorwärtsfehlerkorrigierbaren
Datennachricht erfordert der Interrogator 11 die Fähigkeit,
die komplexen Berechnungen durchzuführen, die erforderlich sind,
um zuerst zu bestimmen, ob ein Fehler vorliegt, und dann das fehlerhafte Symbolzeichen
zu bestimmen und dann seine Größe zu korrigieren.
Die bei der Fehlerkorrektur verwendeten Berechnungsprozesse beinhalten
in der Regel die Berlekamp-Massey-Prozedur, die Chien-Suche und
die Forney-Prozedur, die bekannt sind und von denen Beschreibungen
in den hier aufgeführten
Literaturstellen zu finden sind. Alternative Reed-Solomon-Fehlerkorrekturverfahren
zum Finden von Fehlern und Korrigieren ihrer Größenwerte sind ebenfalls bekannt.
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Es
versteht sich, daß es
hinsichtlich Detail an dem System, dem Transponder und dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung viele Abwandlungen gibt, ohne von dem Schutzbereich der
beigefügten
Ansprüche
abzuweichen.