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Die vorliegende Erfindung betrifft einen portablen Datenträger zur kontaktlosen Datenkommunikation mit einem Endgerät und ein entsprechendes Endgerät sowie ein Verfahren zum Durchführen einer kontaktlosen Datenkommunikation zwischen dem Endgerät und dem Datenträger und ein Verfahren zum Personalisieren des Datenträgers.
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Portable Datenträger, wie beispielsweise kartenförmige Datenträger, insbesondere Chipkarten, können eine kontaktbehaftete und/oder eine kontaktlose Kommunikationseinrichtung zur Datenkommunikation mit einem Endgerät, wie beispielsweise einem Lesegerät oder einem Terminal, aufweisen. Die kontaktlose Datenkommunikation zwischen einem Endgerät und einer üblichen Kontaktloskarte sowie die hierfür benötigte Energieübertragung von dem Endgerät zu der Kontaktloskarte basiert üblicherweise auf dem Prinzip der luftgekoppelten Spulen.
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Bei der sogenannten magnetischen Kopplung, welche auch als induktive Kopplung („inductive coupling”) oder Gegeninduktion bezeichnet wird, erfolgt die Daten- bzw. Energieübertragung über ein elektromagnetisches Feld, welches von einer Kommunikationseinrichtung des Endgeräts erzeugt wird. Die Datenkommunikation kann dabei bei einer Entfernung von wenigen Zentimetern bis hin zu einigen Metern stattfinden. Beispielhafte Anwendungen sind Zugangskontrollen, Skipass, Flugticket oder auch elektronischer Zahlungsverkehr.
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Die Stärke der Kopplung hängt von dem Kopplungsfaktor, der Dämpfung und der Resonanzfrequenz des Datenträgers ab. Idealerweise wird eine kritische Kopplung erreicht, bei der der Kopplungsfaktor und die Dämpfung den gleichen Wert haben, so dass das Antwortverhalten des Datenträgers, der sogenannte Resonanzverlauf, ein Maximum mit einer hohen Güte aufweist. Ein solches Ansprechverhalten kann beispielsweise bei Kontaktloskarten erreicht werden, welche im Kartenkörper nur eine gedruckte Antennenspule aufweisen.
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Bei Kontaktloskarten mit mehr als einer Antennenspule wird jedoch aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung der Antennenspulen üblicherweise nicht ein Maximum mit einem hohen Gütefaktor erreicht. Vielmehr weist der Resonanzverlauf einen flacheren Verlauf mit zwei Resonanzmaxima und einer dazwischen liegenden Einsattelung auf („überkritische Kopplung”). Die Bandbreite ist größer und der Gütefaktor geringer, was eine höhere Ansprechenergie erfordert, um eine stabile Datenkommunikation zu erhalten. Insbesondere muss die Ansprechenergie derart gewählt werden, dass das Endgerät die Lastmodulation des Datenträgers zuverlässig auswerten kann. Dieser Effekt tritt insbesondere dann auf, wenn zusätzlich zu einer oder mehreren Antennenspulen im Kartenkörper eine Antenne auf dem Chipmodul („coil-on-module”) oder auch auf dem Chip selbst („coil-on-chip”) vorgesehen ist. Durch die gegenseitige Beeinflussung der Spulen wird die Stabilität der kontaktlosen Datenkommunikation geschwächt.
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Es wird versucht, diesem Problem mit sogenannten Seitenbanderhöhungen zu begegnen, wobei die Trägerfrequenz (z. B. 13,56 MHz) niedrig gehalten wird, um die Empfindlichkeit der Seitenbänder zu erhöhen, welche dann beispielsweise bei 12,7 MHz und 14,4 MHz liegen können. Dabei ist jedoch nachteilig, dass der Phasengang der Auswertekanäle I und Q nicht mehr phasengleich ist, wenn die Seitenbänder der Kontaktloskarte abweichen. Die Lastmodulation kann dann nicht mehr zuverlässig ausgewertet werden.
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Ein weiteres Problem besteht darin, dass jeder der beschriebenen Datenträger einen kartenindividuellen Resonanzverlauf aufweist, wobei die Resonanzverläufe jeweils zweier ausgewählter Datenträger erheblich voneinander abweichen können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur kontaktlosen Datenkommunikation zwischen einem portablen Datenträger und einem Endgerät sowie einen entsprechenden Datenträger und ein entsprechendes Endgerät vorzuschlagen, bei dem das Endgerät und der Datenträger stabil zusammenarbeiten.
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Diese Aufgabe wird durch einen portablen Datenträger zur kontaktlosen Datenkommunikation mit einem Endgerät und ein entsprechendes Endgerät sowie ein Verfahren zum Durchführen einer kontaktlosen Datenkommunikation zwischen dem Endgerät und dem Datenträger und ein Verfahren zum Personalisieren des Datenträgers mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer portabler Datenträger weist einen Speicher auf, in dem datenträgerspezifische Parameter gespeichert sind, welche das Verhalten des Datenträgers bei einer kontaktlosen Datenkommunikation mit einem Endgerät charakterisieren. Da diese Parameter datenträgerindividuell sind, werden sie ermittelt und bei der Personalisierung des Datenträgers in einem geeigneten Speicher des Datenträgers gespeichert, um diesen später anhand der Parameter identifizieren zu können. Bei einer kontaktlosen Datenkommunikation mit einem entsprechend eingerichteten erfindungsgemäßen Endgerät liest das Endgerät diese datenträgerspezifischen Parameter aus dem Speicher des Datenträgers aus bzw. empfängt sie von dem Datenträger. Das Endgerät passt dann abhängig von den datenträgerabhängigen Parametern die Frequenz eines elektromagnetischen Feldes an, welches das Endgerät zum Zwecke der Datenkommunikation mit dem Datenträger aufbaut.
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Die in dem Datenträger gespeicherten datenträgerabhängigen Parameter charakterisieren das Verhalten des Datenträgers bei einer kontaktlosen Datenkommunikation derart genau, dass durch deren Berücksichtigung durch das Endgerät die Stabilität und Robustheit einer Datenkommunikation zwischen dem Datenträger und dem Endgerät verbessert wird. Insbesondere für den Fall, dass der Datenträger mehr als eine Datenträger-Kommunikationseinrichtung, wie beispielsweise eine oder mehrere Antennenspulen im Körper des Datenträgers und eine zusätzliche Antennenspule auf dem Chip bzw. Chipmodul aufweist, kann die Stabilität der kontaktlosen Datenkommunikation verbessert werden.
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Das Endgerät kann sich anhand der datenträgerabhängigen Parameter auf das Ansprechverhalten des betreffenden Datenträgers einstellen. Dadurch kann auch die benötigte Ansprechenergie verringert werden, was die Stabilität hinsichtlich Entfernungsschwankungen zwischen dem Datenträger und dem Endgerät verbessert.
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Die datenträgerabhängigen Parameter können insbesondere im Rahmen der Personalisierung des Datenträgers in dem Speicher des Datenträgers gespeichert werden. Die Personalisierung erfolgt üblicherweise bei der Herstellung des Datenträgers durch einen Hersteller oder durch einen Herausgeber des Datenträgers, wobei die Personalisierung insbesondere das Einspeichern personenbezogener Daten, wie zum Beispiel den Namen des zukünftigen Inhabers, oder anderer datenträgerspezifischer Daten, wie zum Beispiel eine Kartennummer, umfasst. Durch das Speichern der datenträgerabhängigen Parameter, welches vor oder nach dem Speichern der übrigen Personalisierungsdaten erfolgen kann, erfolgt eine Individualisierung des Datenträgers.
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Unter dem Verhalten des Datenträgers bei einer kontaktlosen Datenkommunikation ist insbesondere das Antwortverhalten des Datenträgers auf verschiedene Frequenzen eines von dem Endgerät erzeugten elektromagnetischen Feldes zu verstehen. Datenträgerspezifisch sind diejenigen Parameter eines Datenträgers, welche individuell für verschiedene Datenträger verschieden sein können. Jeder Datenträger weist einen eigenen Resonanzverlauf auf, welcher insbesondere durch Toleranzen beim Herstellungsprozess der Spulen, Toleranzen beim Herstellen des Datenträgers, welche insbesondere beim Laminieren verschiedener Spulenlagen auftreten können, sowie auch durch Materialeigenschaften und deren Schwankungen beeinflusst wird. Insbesondere können Schwankungen beim Material des Datenträgerkörpers, wie beispielsweise PVC oder PC, zu einer unterschiedlichen Durchlässigkeit für das elektromagnetische Feld führen, welche durch die sogenannte Permittivitätszahl bestimmt ist.
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Insbesondere können die datenträgerspezifischen Parameter charakteristische Eigenschaften des Resonanzverlaufs des Datenträgers in dem elektromagnetischen Feld eines Endgeräts umfassen. Bevorzugt umfassen diese Parameter Resonanzminima, Resonanzmaxima und/oder einen Kommunikationsgütefaktor des Datenträgers. Gegebenenfalls kann der Resonanzverlauf anhand weiterer ausgewählter charakteristischer Werte des Datenträgers als datenträgerspezifischer Parameter in dem Speicher des Datenträgers gespeichert werden.
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Vorteilhaft wird die Frequenz des von der Endgerät-Kommunikationseinrichtung erzeugten Magnetfeldes im Falle einer überkritischen Kopplung auf eine Frequenz zwischen zwei Resonanzmaxima des Datenträgers eingestellt. Es wird diejenige Frequenz für das Magnetfeld des Endgeräts gewählt, bei der der Datenträger einerseits ein gutes Ansprechverhalten zeigt, so dass die Kommunikationsstabilität optimiert werden kann, andererseits aber auch die Kommunikation des Datenträgers zum Kartenlesern nicht durch ein starkes Magnetfeld zu sehr abgeschwächt wird. Es können insbesondere die Seitenbänder des elektromagnetischen Feldes angepasst werden, da dies für die Lastmodulation vorteilhaft ist. Eine stabile Datenkommunikation wird durch ein zuverlässiges Erkennen und Auswerten der Lastmodulation des Datenträgers durch das Endgerät erreicht.
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Ein weiterer Vorteil der Nutzung der datenträgerspezifischen Parameter besteht darin, dass der Datenträger gleichzeitig verifiziert, insbesondere auf Echtheit geprüft werden kann, da der Resonanzverlauf für jeden Datenträger individuell verschieden ist. Vorteilhaft werden die von dem Endgerät ausgelesenen datenträgerspezifischen Parameter mit dem tatsächlichen Verhalten des Datenträgers bei einer kontaktlosen Datenkommunikation abgeglichen. Insbesondere kann dabei überprüft werden, ob sich tatsächlich die Resonanz erhöht, wenn die Frequenz des Endgeräts entsprechend den datenträgerspezifischen Parametern verändert wird, insbesondere auf eine Frequenz eingestellt wird, bei der ein Resonanzmaximum des Datenträgers auftreten sollte. Dies kann beispielsweise durch eine Erhöhung der absoluten Pegel im I-/Q-Kanal der Demodulation festgestellt werden. Falls dies nicht der Fall ist, kann von einer Relais-Attacke ausgegangen werden. Die Datenkommunikation kann daraufhin beispielsweise abgebrochen werden und die Relais-Attacke somit verhindert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Darin zeigen:
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1 schematisch einen portablen Datenträger im elektromagnetischen Feld eines Endgeräts,
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2 eine Resonanzkurve eines portablen Datenträgers hoher Güte,
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3 eine Resonanzkurve eines portablen Datenträgers geringerer Güte und
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4 einen Ausschnitt der Resonanzkurve aus 3.
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In 1 ist schematisch ein portabler Datenträger 1 in Form einer Kontaktloskarte im ID-1 Format im Magnetfeld 8 eines Endgeräts 4 dargestellt. Bei dem Endgerät 4 kann es sich um ein beliebiges Lesegerät für eine Kontaktloskarte, beispielsweise ein entsprechendes Kartenterminal für elektronische Bezahlvorgänge oder eine Zutrittskontrolle handeln. Der Datenträger 1 weist ein elektronisches Modul 3 auf, welches einen Chip und einen Speicher 3a enthalten kann. Zur induktiven Kopplung des Endgeräts 4 und des Datenträgers 1 weist das Endgerät 4 eine Kommunikationseinrichtung 5 in Form einer Spule auf, mittels der das Magnetfeld 8 erzeugt wird, welches in der Spule 2 des Datenträgers 1 eine Spannung induziert. Die Spule 2 des Datenträgers 1 kann zwei Lagen in unterschiedlichen Schichten des Datenträgerkörpers umfassen. Des Weiteren ist in diesem Ausführungsbeispiel in dem elektronischen Modul 3 eine weitere Antennenspule 2a integriert. Diese Antennenspule 2a wird als „coil-on-module” bezeichnet. Insgesamt weist der Datenträger 1 in diesem Ausführungsbeispiel somit drei Antennenspulen 2, 2a auf, wobei die zwei Lagen der Antennenspule 2 zusammenwirken.
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In dem Endgerät 4 ist des Weiteren eine Steuereinrichtung 6 oder Anpassungseinrichtung vorgesehen, welche insbesondere dazu eingerichtet ist, die Kommunikationseinrichtung 5 zu steuern, beispielsweise um die Frequenz des Magnetfelds 8 zu verändern. Ferner ist eine Einrichtung 7 vorgesehen, welche Daten verarbeitet, die zu der Kontaktloskarte 1 gesendet bzw. von dieser empfangen werden.
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Bei der magnetischen Kopplung, welche auch als induktive Kopplung („inductive coupling”) oder Gegeninduktion bezeichnet wird, erfolgt die Daten- bzw. Energieübertragung über das elektromagnetische Feld 8. Die Stärke der Kopplung wird von dem Kopplungsfaktor beeinflusst, der das Verhältnis der von dem Endgerät 4 abgegebenen Energie und der von dem Datenträger 1 aufgenommenen Energie angibt und von der Entfernung und Lage des Endgeräts 4 und des Datenträgers 1 zueinander abhängt. Des Weiteren wird die Kopplung durch die Dämpfung der beiden Schwingkreise von Datenträger 1 und Endgerät 4 beeinflusst.
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Der Resonanzverlauf, d. h. das Antwortverhalten des Datenträgers 1 auf verschiedene Frequenzen des von dem Endgerät 4 erzeugten Magnetfelds 8 wird in Form einer sogenannten Durchlasskurve 10, 11 dargestellt (2, 3, 4). Je stärker die Kopplung ist, desto höher ist die übertragene Energie. Je größer die Dämpfung ist, desto geringer ist die in dem Datenträger 1 induzierte Spannung und die Durchlasskurve 10, 11 ist flacher. Somit bestimmen das Verhältnis des Kopplungsfaktors und der Dämpfung den Verlauf der Durchlasskurve. 2, 3, 4 zeigen Beispiele verschiedener Durchlasskurven, welche nachfolgend genauer erläutert werden. Auf der x-Achse 20 ist jeweils die Frequenz des von dem Endgerät 4 erzeugten Magnetfeldes 8 aufgetragen. Das Antwortverhalten des Datenträgers 1 dargestellt als Realteil der Impedanz des Datenträgers 1 ist auf der y-Achse 21 aufgetragen.
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Auch die Resonanzfrequenz des Datenträgers 1 spielt eine Rolle bei der Kopplung. Da insbesondere Kontaktloskarten oft in einer gedämpften Umgebung, wie einem Geldbeutel, eingesetzt werden, wird die Resonanzfrequenz des Datenträgers 1 meist höher als die Trägerfrequenz des elektromagnetischen Feldes 8 gewählt, da sich dann durch die Dämpfung die Resonanzfrequenz des Datenträgers 1 an die Trägerfrequenz des Feldes 8 annähert.
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Das Antwortsignal des Datenträgers 1 wird üblicherweise durch die sogenannte Lastmodulation erzeugt, bei der der Datenträger 1 durch Ändern seiner Last, beispielsweise durch Zu- und Abschalten eines Widerstands in dem Datenträger 1, das Magnetfeld 8 lokal verändert. Diese Änderung kann von dem Endgerät 4 detektiert werden. In der Praxis weist das durch die Lastmodulation erzeugte Signal nur wenige mV auf und ist von dem gleichfrequenten wesentlich größeren Sendesignal überlagert. Daher ist es optimal, wenn die Resonanzfrequenz des Datenträgers 1 auf dem oberen Seitenband liegt, da dann die Lastmodulation optimal in das Trägersignal einmoduliert werden kann.
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Die Qualität der Kopplung zwischen dem portablen Datenträger 1 und dem Endgerät 4 wird außerdem durch die Güte, auch bezeichnet als Gütefaktor oder Kommunikationsgütefaktor, angegeben. Der Gütefaktor ist das Verhältnis zwischen Resonanzfrequenz und Bandbreite, wobei die Bandbreite der Abstand der beiden Grenzfrequenzen zueinander ist. Die Grenzfrequenzen sind diejenigen Frequenzen, bei denen der Pegel vom Scheitelpunkt der Durchlasskurve um etwa 3 dB abgefallen ist. Außerhalb der Bandbreite zeigt der Datenträger 1 kaum oder kein Ansprechen.
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Angestrebt wird eine kritische Kopplung, bei der der Kopplungsfaktor und die Dämpfung den gleichen Wert haben. Ein solches Beispiel ist in 2 dargestellt. Die Durchlasskurve 10 weist ein Resonanzmaximum 12 bei einer Frequenz 17 auf, beispielsweise bei 15,85 MHz. Die Durchlasskurve 10 ist steil, d. h. die Bandbreite ist gering und der Gütefaktor hoch. Ein solches Resonanzprofil wird üblicherweise nur bei Kontaktloskarten mit einer Antennenspule erreicht, welche beispielsweise auf eine Schicht des Kartenkörpers gedruckt ist.
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Bei Kontaktloskarten mit mehr als einer Antennenspule, beispielsweise mit einer zweilagigen Antennenspule 2 im Kartenkörper und einer im Chipmodul 3 integrierten Antennenspule 2a („coil-on-module”), wird jedoch aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung der Antennenspulen 2, 2a üblicherweise keine Durchlasskurve mit einem Maximum und einem hohen Gütefaktor erreicht. Ein solches Beispiel ist in 3 dargestellt, wobei 3 den gleichen Maßstab aufweist wie 2. 4 zeigt einen Ausschnitt aus 3. Die Durchlasskurve 11 weist einen flacheren Verlauf mit zwei Resonanzmaxima 14, 15 und einer dazwischen liegenden Einsattelung, einem Resonanzminimum 13 auf. Die Bandbreite ist größer und der Gütefaktor geringer, was zu einer höheren benötigten Ansprechenergie (bei Standardkarten < 0,9 A/m) führt, um eine stabile Datenkommunikation zwischen dem Datenträger 1 und dem Endgerät 4 zu erhalten. Insbesondere muss die Ansprechenergie derart gewählt werden, dass das Endgerät 4 die Lastmodulation des Datenträgers 1 zuverlässig auswerten kann.
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Jeder Datenträger 1 zeigt ein individuelles Verhalten bei einer kontaktlosen Datenkommunikation im Magnetfeld 8 des Endgeräts, welches für jeden Datenträger charakteristisch, mit anderen Worten datenträgerspezifisch, ist. In 3 liegt das absolute Resonanzmaximum beispielsweise bei einer Frequenz 16 von 16,15 MHz. Erfindungsgemäß werden aus dem individuellen Resonanzverlauf des Datenträgers 1 die beiden Resonanzmaxima 14, 15, die sich daraus ergebende Güte sowie das Resonanzminimum 13 ermittelt und auf dem Datenträger 1 gespeichert.
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Die datenträgerspezifischen Parameter können insbesondere im Rahmen der Personalisierung des Datenträgers 1 vor oder nach dem Speichern anderer Personalisierungsdaten, wie beispielsweise Name und Anschrift des Karteninhabers, Kartennummer, Kontonummer oder anderer personenbezogener Informationen in den Speicher 3a des Datenträgers 1 eingespeichert werden, wodurch eine Individualisierung des Datenträgers 1 erfolgt.
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Wird der Datenträger 1 in das Magnetfeld 8 des Endgeräts 4 gebracht, liest das Endgerät 4 die datenträgerspezifischen Parameter 12, 13, 14, 15 über spezielle Kommandos aus. Dazu ist der Datenträger 1 entsprechend eingerichtet, diese Parameter an das Endgerät 4 zu senden oder dem Endgerät 4 zum Auslesen zur Verfügung zu stellen. Basierend auf den ausgelesenen Parametern wird die Frequenz des Magnetfelds 8 mittels der Anpassungseinrichtung 6 so eingestellt, dass einerseits eine stabile Datenkommunikation erreicht wird und andererseits die Kommunikation vom Datenträger 1 zum Endgerät 4 nicht durch das Magnetfeld des Datenträgers 1 beeinträchtigt wird. Hierzu kann das Endgerät 4 mittels eines Algorithmus die optimale Frequenz des Magnetfelds 8 berechnen. Die für den Algorithmus verwendeten Parameter können zum einen die dem Endgerät 4 durch den Datenträger 1 zur Verfügung gestellten Parameter sein und/oder weitere Parameter, wie z. B. das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein weiterer Datenträger im Feld.
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Des Weiteren kann die individuelle Durchlasskurve eines Datenträgers 1 zum Verifizieren des Datenträgers 1 insbesondere zum Abwenden einer Relais-Attacke dienen. Die Verifikationseinrichtung 7 des Endgeräts 4 gleicht dabei die aus dem Datenträger 1 ausgelesenen datenträgerspezifischen Parameter 12, 13, 14, 15 mit dem tatsächlichen Antwortverhalten des Datenträgers 1 ab. Falls Abweichungen ermittelt werden, insbesondere falls sich die Resonanz des Datenträgers 1 nicht erhöht, obwohl die Frequenz des Endgeräts 4 auf die Frequenz eingestellt wurde, bei der das Resonanzmaximum 15 auftreten sollte, kann auf eine Relais-Attacke geschlossen werden, da bei einer Relais-Attacke die Entfernung zwischen dem Endgerät 4 und dem Datenträger 1 mit Hilfsmitteln überbrückt wird, welche mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht den Resonanzverlauf aufweisen, der in dem Datenträger 1 gespeichert ist.
