专利名称：用于改进车载无线通信系统的接收信号强度的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及基于车辆的无线通信系统，并且更具体地涉及供如轮胎气压监测系统的基于车辆的无线通信系统使用的中继天线单元。
背景技术：
车辆的轮胎气压监测系统(“TPMS”)是现有技术中已知的。TPMS提供对车辆的所有四个轮胎中的轮胎充气水平的持续监测，以及典型的TPMS使轮胎充气数据可供驾驶员获取。安装在每个轮辋上的传感器/发射器单元按指定的频率周期性地将载送轮胎气压信息的信号发射到安装在车辆上其他位置的接收器。传感器/发射器单元是空气压力传感器与以适于RF广播的方式编码数据的射频(“RF”)发射器的组合。通常设在客厢中的接收器可以与内藏式TPMS处理器集成(或与之连接)，如果轮胎气压太低，该TPMS处理器会提示驾驶员。常规的TPMS系统在如下专利中有公开美国专利6507276、美国专利6535116、美国专利6581449和美国专利6400263。
在汽车部署中，由于底盘的金属组成的原因，在传感器/发射器与TPMS接收器之间很少有直接的RF信号路径(如果有的话)。而且，传感器/发射器和接收器通常安装在极接近汽车的导电金属部位的地方。因此，车辆的车身导致电磁场散射，它可能不利地影响TPMS的工作信号强度范围，从而在传感器/发射器与接收器之间的通信链路中导致非期望的深度衰落。遗憾的是，增加TPMS信号的RF发射功率不是实际的解决方案，因为最大发射功率受限于严格的政府法规。重新定位TPMS接收器来增加接收信号强度也不是实际的解决方案，因为现代汽车中存在复杂的线束。
因此，期望有一种TPMS，它与常规TPMS相比具有改进的动态范围。此外，还期望有一种用于车辆应用的车载无线通信系统，其中减少了RF发射器与RF接收器之间的无线信号损耗。而且，结合附图和上文的技术领域和背景技术，由下文的详细说明和所附权利要求书，本发明的其他期望特性和特征将变得显而易见。
发明内容
如本文所述的如TPMS的RF通信系统包括无源RF中继单元，该无源RF中继单元减少了车辆的导电金属车身可能导致的场散射的不利影响。可以在此类系统中使用RF中继单元来减少RF发射器或无线传感器与RF接收器之间的信号路径损耗，从而获得该无线传感器的改进的性能和增加的电池寿命。本发明的上述和其他方面可以以一种形式由车辆的车载TPMS实现。TPMS包括配置为发射载送轮胎气压信息的RF信号的装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器以及设在该装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器附近的车载RF中继单元，该RF信号易受到车辆所导致的电磁场散射的影响，该车载RF中继单元配置为减少该RF信号的信号强度损耗。
附图简要说明下文将结合以下附图描述本发明，图中相似的编号表示相似的单元，以及
图1是具有根据本发明的一个示范实施例配置的TPMS的车辆的侧面幻图(side phantom view)；图2是具有根据本发明的一个示范实施例配置的TPMS的车辆的图示；图3是具有根据本发明的另一个示范实施例配置的TPMS的车辆的图示；
图4是具有根据本发明的一个示范实施例配置的RF中继单元的车辆的局部透视图；以及图5是具有根据本发明的另一个示范实施例配置的RF中继单元的车辆的局部透视图。
详细说明下文的详细说明在本质上仅是示范性的，而不是旨在限制本发明或本发明的应用和使用。而且，没有任何的意图要受限于上文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细说明中提出的任何明示或暗示的理论。
在本文中，可以依据功能和/或逻辑框组件和各种处理步骤来描述本发明。应该认识到此类框组件可以通过配置为执行指定的功能的任何数量的硬件、软件和/或固件组件来实现。例如，本发明的一个实施例可以采用各种集成电路组件，例如存储器单元、数字信号处理单元、逻辑单元、查询表或诸如此类，它们可以在一个或多于一个的微处理器或其他控制装置的控制下执行多种功能。此外，本领域技术人员将认识到，本发明可以结合任何数量的无线数据传输协议、RF通信系统和车载车辆系统来实施，以及本文所述的TPMS系统仅是本发明的示范应用。
为了简明起见，在本文中可能不对与轮胎气压监测、信号处理、RF数据传输、RF天线设计和这些系统的其他功能方面(及这些系统的个别操作组件)有关的常规技术作详细描述。而且，本文中所含各种附图中示出的连接线路旨在表示各种单元之间的示范功能关系和/或物理耦合。应该注意在实际的实施例中可能存在许多备选或附加的功能关系或物理连接。
下文说明可能涉及被“连接”或“耦合”在一起的单元或功能部件。如本文使用的，除非另行明示地说明，否则“连接”系指一个单元/功能部件直接连接到另一个单元/功能部件(或直接与之通信)，而不一定用机械。同样地，除非另行明示地说明，否则“耦合”系指一个单元/功能部件直接或间接连接到另一个单元/功能部件(或直接或间接与之通信)，而不一定用机械。因此，虽然附图可能示出单元的某些示范布置，但是在实际的实施例中可能存在附加介入单元、装置、功能部件或组件(假定这些系统的功能未受到不利影响)。
本文所述的本发明可以结合依赖于至少一个RF发射器和至少一个RF接收器之间的无线信号传输的许多车载车辆RF通信系统来实施。此类RF通信系统可以无限制地包括TPMS；音频系统；视频系统；计算机系统；安全系统；远程无钥进入系统；全球定位系统；导航系统；蜂窝电话系统；或诸如此类。示范TPMS系统的下文说明无论如何并不旨在限制本发明的范围或适用性。而且，根据具体应用，RF通信系统可以利用可能目前已知的或在将来开发的不同的无线/RF通信技术、协议和方法。例如，RF通信系统可以无限制地利用如下的技术、协议和方法的任何一种蓝牙；IEEE 802.11(它的任何变体)；通用分组无线电业务(“GPRS”)；无线USB；IEEE802.15.4(ZigBee)；脉码调制(“PCM”)；脉宽调制(“PWM”)；脉位调制(“PPM”)；正交振幅调制(“QAM”)；或诸如此类；以及它们的任何实际组合。
图1是具有根据本发明的一个示范实施例配置的车载TPMS的车辆100的侧面幻图。车辆100一般包括能够与至少一个RF发射器通信的TPMS单元102。虽然图1未示出，但是TPMS单元102优选地至少包括RF接收器和处理器。TPMS单元102还可以包括恰当配置的使TPMS单元102能够向车辆100的驾驶员载送轮胎气压信息的用户接口或与之通信，如显示单元。
在本例中，对于每个轮胎利用分开且独立的RF发射器，并将每个RF发射器实现为装在车轮上的TPMS传感器/发射器(由引用号104和106标识)。在图1中，其他两个TPMS传感器/发射器被隐藏看不到。每个TPMS传感器/发射器104/106恰当配置为发射打算供TPMS单元102中的RF接收器用的RF信号。因此，虽然图1中未示出，但是每个TPMS传感器/发射器可以包括恰当设计的发射天线，它可以利用相应轮胎的气门杆来实现。实际上，每个TPMS传感器/发射器104/106测量其相关联的车轮的内部轮胎气压并生成以常规方式载送轮胎气压信息的RF信号。图1示出TPMS传感器/发射器104辐射的以引用号108表示的RF能量以及TPMS传感器/发射器106辐射的以引用号110表示的RF能量。
TPMS单元102的RF接收器配置为接收TPMS传感器/发射器辐射的RF信号。因此，虽然图1中未示出，但是TPMS单元102包括恰当设计的接收器天线，它可以实现为设在电路板上的简单印制单极RF天线。在本文所述的示范实施例中，接收RF信号经过TPMS的处理，它是适合的车载车辆系统的一个例子。在优选的实际实施例中，TPMS单元100(和具体的RF接收器)可以在设计和操作上是常规的，并且常规TPMS单元无需修改或定制即可支持本文所述的RF中继单元。
TPMS传感器/发射器104/106发射的RF信号易受到车辆100所导致的电磁场散射的影响。更具体地来说，这种散射由车辆100的导电金属车身板、导电底盘部分以及其他功能部件导致，它不利地更改与RF信号相关联的辐射模式和场强度。在常规TPMS中，这种散射可以导致RF信号的信号强度损耗，以及信号损耗量可能从一个TPMS传感器/发射器到另一个有所不同，具体视它们在车辆内的位置而定。在实际应用中，接收信号强度中的变化是非期望的，因为需要具有高动态范围(以及相应增加的复杂性和成本)的RF接收器来容许这种变化。
为了解决散射效应，车辆100可以包括设在一个或多于一个的TPMS传感器/发射器附近的一个或多于一个的RF中继单元。如下文更详细描述的，TPMS系统采用的中继单元优选地是无源装置、组件或功能部件，例如无源RF天线、谐振槽(resonant slot)或诸如此类。每个RF中继单元恰当配置为将TPMS传感器/发射器生成的RF信号中继到TPMS单元102。由此，TPMS单元100的RF接收器还配置为接收RF中继单元提供的中继的RF信号。实际上，RF中继单元通过将RF能量“重定向”远离车辆100的导电部分来减少RF信号的信号强度损耗。此重定向通过重新捕获否则会在车辆100的导电框架内损耗的RF能量来增加接收RF信号的功率。因此，RF中继单元促成TPMS传感器/发射器与RF接收器之间的更可靠的无线通信链路，同时降低接收信号的动态范围。
图2是具有根据本发明的一个示范实施例配置的TPMS的车辆200的图示。车辆200的TPMS系统的某些功能部件和组件与车辆100的TPMS系统的功能部件和组件是完全相同、相似或等效的，因此此类共有的功能部件和组件在车辆200的场合中将不作赘述。简言之，车辆200包括TPMS单元202、TPMS传感器/发射器(由引用号204、206、208和210标识)以及RF中继单元212。TPMS单元202包括耦合到TPMS处理器216的TPMS接收器214。
TPMS处理器216配置为处理TPMS接收器214收到的RF信号中载送的轮胎气压信息。实际上，TPMS处理器216可以利用设计为执行本文所述功能的通用处理器、内容可寻址的存储器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、任何适合的可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或它们的任何组合来实施或执行。处理器可以实现为微处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以实施为计算装置的组合、多个微处理器、结合数字信号处理器核的一个或多于一个的微处理器或任何其他此类配置，例如，数字信号处理器和微处理器的组合。
图2表示一个示范实施例，其中单个RF中继单元支持多于一个的TPMS传感器/发射器。就此而言，RF中继单元212配置为将TPMS传感器/发射器206发射的RF信号中继到TPMS接收器214，以及将TPMS传感器/发射器210发射的RF信号中继到TPMS接收器214。如本文使用的，RF中继单元中继、发射或生成的信号称为“中继的RF信号”或“中继的无线信号”。此类中继的RF信号由图2中的引用号218来标识。
如果TPMS单元202设在极接近TPMS传感器/发射器204/208的地方，以使TPMS传感器/发射器204/208辐射的RF信号并未因车辆200所导致的电磁场散射而劣化，则图2所示的配置可以是适当的。根据具体的应用、车辆200的拓扑和TPMS组件的相对布置，RF中继单元212支持多于两个的TPMS传感器/发射器可以是可能的。实际上，这种配置是减少TPMS的部署成本所需要的。
图3是具有根据本发明的一个示范实施例配置的TPMS的车辆300的图示。车辆300的TPMS的某些功能部件和组件与车辆100的TPMS和/或车辆200的TPMS的功能部件和组件是完全相同、相似或等效的，因此此类共有的功能部件和组件在车辆300的场合中将不作赘述。简言之，车辆300包括TPMS单元302、TPMS传感器/发射器(由引用号304、306、308和310标识)以及RF中继单元(由引用号312、314、316和318标识)。TPMS单元302包括耦合到TPMS处理器322的TPMS接收器320。
图3表示一个示范实施例，其中每个TPMS传感器/发射器具有对应的RF中继单元。因此，每个RF中继单元主要支持仅一个TPMS传感器/发射器，它设在极接近其对应的RF中继单元的地方(当然，在实际的实施例中，给定的RF中继单元可能影响从任何数量的TPMS传感器/发射器发射的RF能量，包括设在其他车轮上的那些)。就此而言，RF中继单元312对应于TPMS传感器/发射器304，RF中继单元314对应于TPMS传感器/发射器306，RF中继单元316对应于TPMS传感器/发射器308，以及RF中继单元318对应于TPMS传感器/发射器310。在操作中，图3所示的每个RF中继单元恰当配置为将其相应的TPMS传感器/发射器发射的RF信号中继到TPMS接收器320。
图3所示的配置可以适当确保TPMS单元302以可靠的方式收到预期的RF信号以及减少TPMS接收器320收到的RF信号的动态范围。因此，可以根据车辆300的拓扑和配置来专门地定制和调谐车辆300的TPMS。例如，极接近TPMS接收器320的RF中继单元(例如，RF中继单元312/316)无需与其他RF中继单元(例如，RF中继单元314/318)一样精确地调谐。
实际的车载RF通信系统无需以图2或图3所示的方式来配置。事实上，本发明的灵活特性允许定制RF通信系统以适应特定车辆和/或特定应用的需要。
如上所述，RF中继单元可以是无源组件。换言之，无需对RF中继单元供电，以及RF中继单元无需依赖车辆电源来操作。实际上，RF中继单元将根据RF信号的标称频率来调谐。例如，常规TPMS目前利用315MHz的操作中心频率(在美国)或433.92MHz的操作中心频率(在欧洲)，以及RF中继单元将恰当设计为在期望的中心频率处谐振以便于有效地中继RF信号。此外，RF中继单元可以根据部署有TPMS的车辆的RF特征、电磁特征和/或其他特征来调谐。例如，RF中继单元可以配置为与车辆的几何形状、车辆的组成、TPMS传感器/发射器和TPMS接收器的相对位置或诸如此类相适应。因此，不同于传统的TPMS，在设计中将车辆本身纳入考虑，以建立TPMS传感器/发射器和TPMS接收器之间的可靠通信链路。而且，RF中继单元可以根据TPMS传感器/发射器的设计和配置、TPMS接收器的设计和配置和/或TPMS的其他操作特征或参数来调谐。
图4是具有根据本发明的一个示范实施例配置的RF中继单元的车辆400的局部透视图。图4还示出与RF中继单元相关联的装在车轮上的TPMS传感器/发射器402。在该实施例中，RF中继单元包括谐振槽404，它被调谐到TPMS的期望操作频率(例如，TPMS传感器/发射器402生成的RF信号的标称谐振频率)。谐振槽404可以在车辆400的任何导电结构中形成，如导电金属板。例如，谐振槽404可以在图4所示的车辆400的挡泥板或车轮凹槽406中形成。
设置谐振槽404是所期望的，因为它表示与TPMS传感器/发射器402辐射的RF能量相关联的相对高的RF电流的区域。在没有RF中继单元的常规部署中，RF电流的一部分耗散到车辆400中，这导致信号强度的损耗。恰当设计谐振槽404的形状和尺寸，以适应给定应用的需要。在一个示范实施例中，谐振槽404约为1英寸宽以及14英寸长。该尺寸适于在具有315MHz的操作频率的TPMS中使用。该示范实施例的RF性能模拟指示在接收信号强度上有超过3dB的改进。因此，谐振槽404是实施如本文所述的用于无线通信系统的RF中继单元的一种有效且实际的方式。
图5是具有根据本发明的另一个示范实施例配置的RF中继单元的车辆500的局部透视图。图5还示出与RF中继单元相关联的装在车轮上的TPMS传感器/发射器502。在该实施例中，RF中继单元包括RF天线504，它被调谐到TPMS的期望操作频率(例如，TPMS传感器/发射器502生成的RF信号的标称谐振频率)。实际上，RF天线504可以是包括辐射单元和协同地平面的简单单极天线，其中辐射单元包括它与地平面相接的馈入(feed)。实际上，RF天线504的辐射单元可以由实心导体(例如，铜线)、蚀刻到电介质安装单元上的薄导电材料、在软粘性带上形成的软导体或诸如此类形成。在本发明的又一些实施例中，RF天线504可以辅助以(leverage)任何适合的RF天线技术，无限制地包括微带；带状线；同轴；双引线；共面波导及诸如此类。
在该例中，车辆500的隔板506用作RF天线504的地平面(隔板506由导电金属形成)。如上文结合谐振槽404所述的，RF天线504优选地设在极接近相关联的TPMS传感器/发射器的地方，以利用可用的RF能量。在备选实施例中，RF天线504可以设在TPMS传感器/发射器502和TPMS接收器之间任何适合的位置。
恰当设计RF天线504的形状和尺寸，以适应给定应用的需要。例如，RF天线504可以配置为四分之一波长的单极天线，其中辐射单元的长度约为期望RF信号的波长的四分之一。因此，RF天线504可以恰当调谐以使其谐振频率对应于期望RF信号的标称中心频率。如上文所述，RF天线504优选地根据设在车辆500中的导电结构来调谐。实际上，此类调谐可以无限制地包括调谐或调整RF天线504的辐射部分的长度；调谐或调整RF天线504的形状、尺寸或拓扑；调谐或调整辐射部分相对于地平面的安装距离；选择辐射部分的组成或材料；选择供RF天线504利用的RF连接器(如果有的话)的配置；和/或为RF天线504设计适当的匹配电路。当然，可以使用任何数量的已知技术来恰当调谐RF天线504，以寻址车辆500或TPMS的其他电磁和/或RF特征。
总而言之，本发明涉及用于减少TPMS的RF发射器与RF接收器之间的信号损耗(以及由此减少接收信号波动范围)的系统和方法。RF中继单元中继从RF发射器收到的RF信号，以便可以由RF接收器收到中继的RF信号。RF中继单元可以采取谐振槽或简单天线的形式，其中具体RF中继单元的选择可以取决于车辆的几何形状。简单天线可以设在RF发射器和RF接收器之间的任何位置。谐振槽可以在车辆的导电金属板、如挡泥板或车轮凹槽中切削而成或以其他方式形成。
虽然上文详细说明中给出至少一个示范实施例，但是应该认识到存在大量的变体。还应该认识到一个或多于一个的示范实施例仅仅是例子，以及无论如何并不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。更确切地，上文的详细说明将为本领域技术人员提供用于实施一个或多于一个的示范实施例的方便说明。应该理解，在不背离所附权利要求书和其合法等效物中阐述的本发明范围的前提下可以在单元的功能和布置上进行多种修改。
权利要求
1.一种用于车辆的射频(“RF”)通信系统，所述系统包括RF接收器，配置为接收用于供车载车辆系统处理的RF信号；RF发射器，配置为发射打算供所述RF接收器用的RF信号，所述RF信号易受到所述车辆所导致的电磁场散射的影响；以及设在所述RF发射器附近的RF中继单元，所述RF中继单元配置为减少所述RF信号的信号强度损耗，所述信号强度损耗由所述车辆所导致的电磁场散射引起。
2.如权利要求1所述的系统，所述RF接收器是车载RF接收器，所述RF发射器是车载RF发射器，以及所述RF中继单元是车载RF中继单元。
3.如权利要求1所述的系统，所述RF中继单元包括根据所述RF信号的频率调谐的RF天线。
4.如权利要求1所述的系统，所述RF中继单元包括根据所述RF信号的频率调谐的谐振槽。
5.如权利要求4所述的系统，所述谐振槽在所述车辆的导电金属板中形成。
6.如权利要求1所述的系统，所述RF中继单元包括无源组件。
7.如权利要求1所述的系统，所述RF中继单元根据所述车辆的RF特征来调谐。
8.如权利要求1所述的系统，所述RF发射器包括装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器，以及所述车载车辆系统包括轮胎气压监测系统。
9.一种用于车辆的车载轮胎气压监测系统(“TPMS”)，所述TPMS包括装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器，配置为发射载送轮胎气压信息的射频(“RF”)信号，所述RF信号易受到所述车辆所导致的电磁场散射的影响；以及设在所述装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器附近的车载RF中继单元，所述车载RF中继单元配置为减少所述RF信号的信号强度损耗，所述信号强度损耗由所述车辆所导致的电磁场散射引起。
10.如权利要求9所述的TPMS，还包括车载RF接收器，配置为接收所述RF信号；以及耦合到所述车载RF接收器的车载TPMS处理器，所述车载TPMS处理器配置为处理所述RF信号中载送的轮胎气压信息。
11.如权利要求9所述的TPMS，所述车载RF中继单元包括根据所述RF信号的频率调谐的RF天线。
12.如权利要求9所述的TPMS，所述车载RF中继单元包括根据所述RF信号的频率调谐的谐振槽。
13.如权利要求12所述的TPMS，所述谐振槽在所述车辆的导电金属板中形成。
14.如权利要求9所述的TPMS，所述车载RF中继单元包括无源组件。
15.如权利要求9所述的TPMS，所述车载RF中继单元根据所述车辆的RF特征来调谐。
16.如权利要求9所述的TPMS，其中所述装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器安装在所述车辆的第一车轮上；所述TPMS还包括安装在所述车辆的第二车轮上的第二装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器，所述第二装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器配置为发射载送轮胎气压信息的第二RF信号，所述第二RF信号易受到所述车辆所导致的电磁场散射的影响；以及所述车载RF中继单元配置为中继所述由所述装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器发射的RF信号，以及中继所述由所述第二装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器发射的第二RF信号。
17.如权利要求9所述的TPMS，其中所述装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器安装在所述车辆的第一车轮上；所述TPMS还包括安装在所述车辆的第二车轮上的第二装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器，所述第二装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器配置为发射载送轮胎气压信息的第二RF信号，所述第二RF信号易受到所述车辆所导致的电磁场散射的影响；以及设在所述第二装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器附近的第二车载RF中继单元，所述第二车载RF中继单元配置为减少所述第二RF信号的信号强度损耗；所述车载RF中继单元配置为中继所述由所述装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器发射的RF信号；以及所述第二车载RF中继单元配置为中继所述由所述第二装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器发射的第二RF信号。
18.一种用于车辆的车载无线通信方法，所述方法包括发射载送用于供车载车辆系统处理的信息的无线信号，所述无线信号易受到所述车辆所导致的电磁场散射的影响；无源中继所述无线信号，从而以减少中继的无线信号的信号强度损耗的方式提供所述中继的无线信号，所述信号强度损耗由所述电磁场散射引起；以及接收所述中继的无线信号。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述车载车辆系统包括轮胎气压监测系统；以及所述无线信号载送轮胎气压信息。
20.如权利要求19所述的方法，其中对多个装在车轮上的轮胎气压传感器/发射器生成的同样多个无线信号执行所述发射步骤；以及对所述多个无线信号执行所述无源中继步骤。
全文摘要
公开一种用于车辆的车载无线通信系统，如轮胎气压监测系统(TPMS)。TPMS包括发射载送轮胎气压信息的RF信号的装在车轮上的射频(RF)传感器/发射器、至少一个RF中继单元以及耦合到TPMS处理器的RF接收器。RF中继单元将来自传感器/发射器的RF信号中继到RF接收器，以减少车辆的导电部分所导致的电磁场散射的负面影响。
文档编号B60C23/04GK1921321SQ20061012614
公开日2007年2月28日 申请日期2006年8月23日 优先权日2005年8月23日
发明者H·J·宋, H·-P·苏, R·W·威斯 申请人:通用汽车环球科技运作公司