DE69731273T2

DE69731273T2 - Einrichtung und Verfahren zur Taktrückgewinnung zur Anwendung in einem tragbarem Datenträger

Info

Publication number: DE69731273T2
Application number: DE69731273T
Authority: DE
Inventors: Michael John Coppet Hill
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Mobility LLC
Priority date: 1997-01-30
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: EP0858045A2; GB2321745B; GB9701954D0; GB2321745A; JPH10222632A; DE69731273D1; EP0858045B1; EP0858045A3; US6507607B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen tragbaren Datenträger, der zur Anwendung in einem kontaktfreien Modus konstruiert ist, und im Besonderen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regulieren des Stroms, der an einen solchen tragbaren Datenträger geliefert wird.
Hintergrund der Erfindung
Es ist bekannt, dass tragbare Datenträger (z. B. Smart-Cards oder Chipkarten) ein Kunststoffsubstrat umfassen, in dem eine Halbleitervorrichtung (d. h. eine integrierte Schaltung --IC) zum Speichern von digitalen Daten angeordnet ist. Diese digitalen Daten können Programmanweisungen, Anwenderinformationen oder eine beliebige Kombination von beiden bilden. Außerdem ist bekannt, dass diese Chipkarten in einem kontaktierten Modus betreibbar sind, wobei eine Anordnung von Kontaktpunkten, die auf dem Kunststoffsubstrat angeordnet sind und mit der Halbleitervorrichtung verbunden sind, verwendet wird, um elektrische Signale zwischen der Chipkarte und einem externen Kartenleser oder Endgerät auszutauschen. Ebenso gibt es Chipkarten, die in einem kontaktfreien Modus arbeiten, wobei eine Radiofrequenz (RF)-Empfangsschaltung eingesetzt wird, um Daten zwischen der Karte und dem Kartenendgerät auszutauschen. Das heißt, dass es nicht erforderlich ist, dass die Karte einen physikalischen Kontakt mit dem Kartenendgerät aufnimmt, um mit ihm Daten auszutauschen, sondern vielmehr nur einfach in einem vorbestimmten Bereich des Endgerätes angeordnet werden muss.
Zusätzlich gibt es Chipkarten, die alternativ entweder in einem kontaktierten Modus oder einem kontaktfreien Modus betreibbar sind. Solche Karten sind sowohl mit einer RF-Empfangsschaltung (für einen kontaktfreien Betrieb) als auch mit einer Anordnung von Kontaktanschlüssen (für einen kontaktierten Betrieb) ausgerüstet. Diese Chipkarten werden im Allgemeinen als Kombinationskarten oder Kombikarten bezeichnet. Es ist zu beachten, dass sowohl in der Nur-Kontaktkarte als auch den Kombikartenanordnungen die Anordnung der Kontaktanschlüsse typischerweise dem ISO-Standard 7816 entsprechen, der hierin durch eine Referenz enthalten ist.
Ein Problem der heutigen kontaktlosen Chipkartenanordnungen besteht in der begrenzten Menge von Informationen, die auf die Trägerfrequenz moduliert werden kann. Tatsächlich verhindern einige Anwendungen jede beliebige Modulation der Trägerfrequenz, wodurch ein anderes Mittel zum Ext rahieren übertragener Informationssignale als das auf der Trägerfrequenz, f_c, übertragene Leistungssignal erforderlich ist. Natürlich gibt es einen Bedarf für einen Transport sowohl von Datensignalen als auch eines Taktsignals, das durch ein Verarbeitungselement der Chipkarte verwendet werden soll.
Anwendungen nach dem Stand der Technik haben versucht dieses Problem durch Verwenden von Zweifrequenzsystemen zu lösen, wobei das Leistungssignal auf einer ersten Frequenz und Informationen (z. B. Datensignale und Timinginformationen) auf einer zweiten Frequenz übertragen wurden. Diese Implementierung, die eine zusätzliche Schaltung auf der Chipkarte erforderte, wo der Raum begrenzt ist, resultierte in einer komplexen und teuren Lösung. Das heißt, weil die diskreten Komponenten, die erforderlich sind, um RF-Signale von einem Endgerät/Lesegerät zu empfangen, einen großen Teil der Kosten und Komplexität eines Chipkartensystems ausmachen, erhöht das Hinzufügen einer weiteren diskreten Empfangsschaltung zu der Karte die Kosten beträchtlich.
Die US 5,453,747 offenbart die Verwendung von zwei Datenkommunikationskanälen zwischen einem Interrogator und einem Transponder.
Dementsprechend existiert ein Bedarf an einem Verfahren und eine Vorrichtung zum Wiederherstellen eines Taktsignals, die nicht durch die Nachteile nach dem Stand der Technik eingeschränkt sind. Im Besonderen wäre eine Chipkartenvorrichtung, die in der Lage ist Informationen verlässlich zu empfangen, ohne die Trägerfrequenz zu verwenden und ohne der Herstellung der Karte wesentliche Kosten hinzuzufügen, eine Verbesserung des Standes der Technik.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Chipkarte gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm, das zeigt, wie eine Trägerfrequenz etabliert wird, und ein Diagramm, das eine Leistungsspektrumsantwort bei der Trägerfrequenz zeigt;
3 zeigt eine Modulationsanordnung und ein Diagramm, das das Leistungsspektrum der modulierten Ausgabe zeigt, die bei der Chipkarte empfangen wird+, gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt ein Diagramm, das das Leistungsspektrum einer Trägerfrequenz und einer Mehrzahl von Teilträgerfrequenzen zeigt, die selektiv um ein Rauschsignal angeordnet sind, gemäß der vorliegenden Erfindung; und
5 zeigt ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Chipkarte darstellt, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung umfasst einen tragbaren Datenträger (z. B. eine Chipkarte), die eine Radiofrequenz (RF)-Empfangsschaltung umfasst, die abgestimmt ist, um Leistungssignale auf einer Trägerfrequenz, f_c, zu empfangen. Die Chipkarte umfasst außerdem ein Verarbeitungselement, das ein Taktsignal benötigt, das gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird. Ein Informationssignal wird auf einer ersten Teilträgerfrequenz, f_s1, empfangen, wobei seine Frequenz um einen vorbestimmten Wert von F_c abweicht. Das Informationssignal umfasst Timinginformationen, die durch die Chipkarte demoduliert werden und verwendet werden, um das Taktsignal zur Verwendung durch dessen Verarbeitungselement zu extrahieren. In dieser Art und weise löst die vorliegende Erfindung die Probleme des Standes der Technik durch Erprobung eines kosteneffizienten Verfahrens zum Empfangen der Timinginformationen, von denen ein Taktsignal erzeugt werden kann. Außerdem ist es nicht erforderlich, dass die Trägerfrequenz moduliert wird, um das Taktsignal zu extrahieren.
Die vorliegende Erfindung kann mit Bezug auf 1 – 5 besser verstanden werden. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Chipkarte 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Chipkartensubstrat 102 hat darin ein Verarbeitungselement (MPU) 103 angeordnet. Die Chipkarte 100 umfasst weiter eine Leistungsempfangsschaltung 104, die dazu dient, das Leistungssignal 105 von der durch ein Endgerät/Lesegerät erzeugten Trägerfrequenz zu extrahieren. Eine getrennte Empfangsschaltung 106 umfasst einen Teilträgerdemodulator, wie später beschrieben. Sowohl ein Taktsignal 107 als auch ein Datensignal 108 werden aus der Teilträgerfrequenz extrahiert und in das Verarbeitungselement 103 eingegeben, um durch dieses verwendet zu werden. Hier wird eine Übertragungsschaltung 110 gezeigt, die mit dem Verarbeitungselement 103 für Abwärtsverbindungsübertragungen (von der Karte zum Endgerät) gekoppelt ist. (In der Praxis ist der Abwärtsverbindungssenderabschnitt häufig in der Aufwärtsverbindungsschaltung enthalten, d. h. sie teilen sich eine gemeinsame Antennenanordnung.) Wie später mit Bezug auf 4 beschrieben werden wird, können die Abwärtsverbindungsübertragungen durch Verwenden der selben Teil trägerfrequenz, von der das Taktsignal abgeleitet wird, gesendet werden oder nicht.
2 zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm 200, das die diskreten Komponenten zeigt, die verwendet werden, um die Trägerfrequenz in dem kontaktfreien Modus zu etablieren. Das heißt, die werte von Lc und Ct bestimmen die Trägerfrequenz, die in dem Endgerät/Lesegerät für eine Aufwärtsverbindungsübertragung verwendet wird, und stellt ebenso eine äquivalente Schaltung für die Leistungsempfangsschaltung 104 dar, die in 1 gezeigt wird. In 2 wird außerdem ein Diagramm 204 gezeigt, das das Leistungsspektrum der Trägerfrequenz, f_c, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die ausgewählte Trägerfrequenz 13,56 MHz, was dem ISO International Standard entspricht. Dem Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass die Leistungskurve 205 ausreicht, um das Leistungssignal von dem Endgerät/Lesegerät zu der Chipkarte zu übertragen, um von dieser verwendet zu werden.
3 zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm 300, das darstellt, wie die erste Teilträgerfrequenz, f_s1, erzeugt wird, gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Trägerfrequenz, f_c, wird in einen Mischer 302 eingegeben, der als ein Modulator zum Modulieren der Trägerfrequenz um einen Betrag, der gleich f_s1 ist, dient. Das heißt, die Teilträgerfrequenz wird in den Mischer 302 injiziert, der dann ein Paar von Teilträgersignalen in einen Verstärker (nicht gezeigt) für Aufwärtsverbindungsübertragungen (z. B. vom Lesegerät zur Karte) ausgibt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Teilträgerfrequenz, f_s1, bei ungefähr 800 kHz ausgewählt, was zu Teilträgerfrequenzen von 12,76 MHz bzw. 14,36 MHz führt. Diese Werte werden aus Gründen gewählt, die mit Bezug auf 4 ausführlicher beschrieben werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das durch das Prozessorelement verwendete Timingsignal zuerst durch Verwenden konventioneller Phasensynchronisationskreisverfahren (PLL-Verfahren) stabilisiert und dann multipliziert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das stabile Referenzsignal (von der PLL ausgegeben und im Wesentlichen gleich der Teilträgeroffsetfrequenz) mit Drei (3) multipliziert, was zu einem stabilen 2,4 MHz Taktsignal führt.
3 zeigt außerdem ein Leistungsdiagramm 350, das das Leistungsspektrum für die Mehrzahl von Signalen widerspiegelt, namentlich für die Trägerfrequenz und ihre Teilträgerkomponenten. Wie gezeigt, liegt die Leistungskurve 205 in der Mitte der Leistungskurven 352, 354, die mit der Teilträgerfrequenz, f_s1, verknüpft sind. Wie zuvor erwähnt, tragen beide Teilträgerfrequenzen die Informationssignale, die von dem in 1 gezeigten Verarbeitungselement 103 benötigt werden (somit kann eine von ihnen herausgefiltert werden, ohne dass dabei Informationen verloren gehen). Die übertragenen Informationen werden bei der Karte durch ein Demodulieren der Teilträgerfrequenz (oder des Frequenzpaares) extrahiert, wobei gut bekannte Demodulationsverfahren verwendet werden.
Wie angezeigt, werden die Teilträgerfrequenzen durch Verwenden eines Amplitudenmodulationsschemas moduliert. Dem Fachmann auf dem Gebiet ist jedoch klar, dass für eine solche Anordnung eine Phasenmodulation genau so geeignet ist und dass es einfach eine Frage der Konstruktionswahl in Abhängigkeit der Systemspezifikationen ist. Es ist wichtig zu beachten, dass die Teilträgerfrequenz keine ganzzahlige Harmonische der Trägerfrequenz ist, sondern vielmehr ein vorbestimmtes Offset umfasst, das für eine optimale Leistung beim verlässlichen Einfangen von Informationssignalen ausgewählt wurde. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Teilträgerfrequenz, f_s1, sowohl in dem Aufwärtsverbindungsmodus (Empfangsmodus) als auch dem Abwärtsverbindungsmodus (Sendemodus) verwendet werden. Wieder ist dies eine Frage der Konstruktionswahl und kann, wie später beschrieben, geändert werden.
Wenn die Teilträgerfrequenz einmal demoduliert worden ist, um die Informationssignale zu extrahieren, geht das Verarbeitungselement 103 weiter, um Daten auf eine Mehrzahl von Bussen und internen Registerbussen (nicht gezeigt) zur Verwendung durch die Chipkarte 100 zu übertragen. Es ist gut bekannt, dass solche Datenübertragungen ein gefaltetes Rauschsignal erzeugen, das den Daten zuschreibbar ist, die geschaltet werden sollen, und als Schaltrauschen bezeichnet wird. Das durch das Verarbeitungselement 103 erzeugte Schaltrauschen bietet Probleme mit dem Empfang und der Übertragung von Informationssignalen von der bzw. an die Chipkarte 100. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Teilträgerfrequenz (oder Frequenzen) vorteilhafter Weise ausgewählt werden, um die Probleme zu vermeiden, die durch dieses Schaltrauschsignal aufgebracht wurden, wie als nächstes beschrieben.
4 zeigt eine Leistungsspektrumskurve 400, die ein Schaltrauschsignal 401 umfasst, und zeigt die relativen Standorte der Träger- und Teilträgerfrequenzsignale an, gemäß der vorliegenden Erfindung. Es ist zu beachten, dass die Amplitude des hier gezeigten Schaltrauschsignals 401 zu Erklärungszwecken übertrieben dargestellt ist, aber tat sächlich, wie gezeigt, als im Wesentlichen periodisch beschrieben werden kann. Aufgrund dieses periodischen Merkmals können die Teilträgerfrequenzen 352, 354 so ausgewählt werden, dass sie, wie gezeigt, vorteilhafter Weise mit ruhigen Zonen des Schaltrauschsignals 401 übereinstimmen. Das heißt, gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Teilträgerfrequenz, f_s1, so gewählt werden, dass sie in einem vorbestimmten Bereich einer minimalen Amplitude des Schaltrauschsignals 401 liegt. In dieser Weise sind die auf der Teilträgerfrequenz getragenen Informationen durch Verwenden von Amplituden- und/oder Phasenmodulationsverfahren leicht detektierbar. Im Gegensatz dazu würde eine Teilträgerfrequenz, die im Wesentlichen nahe bei einer Spitzenamplitude des Schaltrauschsignals 401 ausgewählt wird, als ein Ergebnis des konkurrierenden durch das Verarbeitungselement 103 erzeugten Rauschsignals 401 in einer schlechten Demodulationsleistung resultieren.
Zusätzlich zum Auswählen einer ersten Teilträgerfrequenz, f_s1, für die Aufwärtsverbindungsübertragung kann eine zweite Teilträgerfrequenz, f_s2, für die Abwärtsverbindungsübertragungen ausgewählt werden. Die Leistungskurven 403 und 405 werden beispielhaft ausgewählt, um in ihrer Frequenz mit einem zweiten Paar ruhiger Zonen für das Schaltrauschsignal 401, wie gezeigt, überein zu stimmen. Wie das erste Teilträgerfrequenzsignal kann das zweite Teilträgerfrequenzsignal in Abhängigkeit von den Systemanforderungen entweder phasenmoduliert (wie gezeigt) oder amplitudenmoduliert sein. (Es ist zu beachten, dass die Leistungsantwort der Abwärtsverbindungsteilträgerfrequenzsignale 403, 405 den Anschein haben, eine größere Amplitude als ihre Aufwärtsverbindungsgegenstücke zu haben. Dies ist ein Ergebnis davon, dass die Leistungsspektrumskurve aus der Perspektive der Chipkarte gezeichnet worden ist, und ist keine Widerspiegelung irgend eines wesentlichen Unterschiedes zwischen Aufwärtsverbindungs- und Abwärtsverbindungsübertragungen.)
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die zweite Teilträgerfrequenz, f_s2, so ausgewählt, dass sie ein ganzzahliges Produkt der ersten Teilträgerfrequenz, f_s1, ist. Dem Fachmann auf dem Gebiet ist natürlich klar, dass dies das Ergebnis der periodischen Natur des Schaltrauschsignals 401 ist. Das heißt, wenn das Schaltrauschsignal einmal dadurch gekennzeichnet ist, das es eine bestimmte Periode hat, wird die erste Teilträgerfrequenz so ausgewählt, dass sie eine Hälfte dieser Periode ist (unter der Annahme, dass ihre maximale Amplitude, wie gezeigt, mit f_c übereinstimmt). Ebenso wird die zweite Teilträgerfrequenz so ausgewählt, dass sie, wie gezeigt, eine oder mehrere volle Zyklen von der ersten Teilträgerfrequenz entfernt ist. In dieser weise kann die Systemleistung (d. h. Empfang und Übertragung) sogar in der Gegenwart von unerwünschtem Schaltrauschen optimiert werden.
5 zeigt ein Flussdiagramm 500, das den Betrieb einer kontaktfreien Chipkarte zeigt, gemäß der vorliegenden Erfindung. Wenn die Karte einmal in das magnetische Feld des Endgerätes/Lesegerätes eintritt, wird ein Leistungssignal empfangen (502) und das Verarbeitungselement 103 wird mit Energie versorgt (504). Inzwischen wird das Timingsignal auf der ersten Teilträgerfrequenz empfangen (506), wie zuvor beschrieben. Die Timinginformationen werden dann durch Verwenden einer konventionellen Demodulationsschaltung demoduliert (508) und das Taktsignal wird daraus ext rahiert. Bei diesem Punkt ist das Verarbeitungselement 103 in der Lage richtig zu arbeiten, Daten zu schalten, gespeicherte Datensätze zu manipulieren etc. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das einstweilige Taktsignal (d. h. 800 kHz) durch Verwenden eines PLL stabilisiert (510) und multipliziert, um einen stabilen 2,4 MHz Takt zur Verwendung durch das Prozessorelement zu erzeugen. Schließlich können die verarbeiteten Daten auf einem Abwärtsverbindungsteilkanal durch Verwenden entweder der ersten oder zweiten Teilträgerfrequenz, wie zuvor beschrieben, übertragen werden (512) .
In der vorangehenden Weise stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum verlässlichen Wiedergewinnen eines Taktsignals sogar in der Gegenwart von unvermeidbarem Schaltrauschen zur Verfügung. Außerdem ist es nicht nötig, dass die Trägerfrequenz moduliert wird, um das Taktsignal oder andere Datensignale wieder herzustellen, so wie es in Taktwiederherstellungsschemata nach dem Stand der Technik getan wurde.

Claims

Verfahren zum Wiederherstellen eines Taktsignals für einen tragbaren Datenträger (100), der eine Radiofrequenz (RF)-Empfangsschaltung (104) (106) umfasst, die abgestimmt ist, um Leistungssignale auf einer Trägerfrequenz, f_c, zu empfangen, um eine Energieversorgung des tragbaren Datenträgers zu gewährleisten, wobei der tragbare Datenträger weiter ein Verarbeitungselement (103) umfasst, das das Taktsignal zu dessen Betrieb benötigt, wobei das verfahren die folgenden Schritte umfasst: Empfangen eines Informationssignals auf einer ersten Teilträgerfrequenz, f_s1, die auf die Trägerfrequenz moduliert wird und die Trägerfrequenz des Leistungssignals f_c um eine vorbestimmte Frequenz verschiebt, wobei das Informationssignal Timinginformationen enthält; Demodulieren der empfangenen Timinginformationen, wodurch demodulierte Timinginformationen erzeugt werden; und Extrahieren des Taktsignals aus der demodulierten Timinginformation.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Extrahierens den Schritt des Eingebens der demodulierten Timinginformation in eine Phasensynchronisationskreisschal tung (PLL-Schaltung) umfasst, wobei die PLL-Schaltung ein stabiles Referenzsignal erzeugt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, das weiter den Schritt des Multiplizierens des stabilen Referenzsignals umfasst, um das Taktsignal zur Verwendung durch das Verarbeitungselement zu erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei f_s1 als eine nicht ganzzahlige Harmonische von f_c ausgewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Verarbeitungselement Datensignale während des Betriebs schaltet, wodurch ein Schaltrauschsignal erzeugt wird, das eine stille Zone umfasst, wobei das Verfahren weiter den Schritt des Auswählens von fs1 umfasst, so dass f_s1 im Wesentlichen in einen vorbestimmten Bereich der stillen Zone fällt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei Aufwärtsverbindungsinformationssignale, d. h. vom Endgerät zum tragbaren Datenträger, auf fs1 übertragen werden und Abwärtsverbindungsinformationssignale, d. h. vom tragbaren Datenträger zum Endgerät, auf einer zweiten Teilträgerfrequenz, fs2, übertragen werden, wobei f_s2 ein ganzzahliges Vielfaches von f_s1 umfasst.
Tragbarer Datenträger (100), der umfasst: eine erste Empfangsschaltung (104), die abgestimmt ist, um Leistungssignale auf einer Trägerfrequenz, f_c, zu empfangen, um eine Energieversorgung des tragbaren Datenträgers zu gewährleisten; ein Verarbeitungselement (103), das mit der ersten Empfangsschaltung (104) in Wirkverbindung steht, wobei das Verarbeitungselement ein Taktsignal zu dessen Betrieb darauf benötigt; eine zweite Empfangsschaltung (106), die mit der ersten Empfangsschaltung (104) in Wirkverbindung steht und abgestimmt ist, um Informationssignale auf einer ersten Teilträgerfrequenz, f_s1, zu empfangen, die auf die Trägerfrequenz moduliert wird, und die Trägerfrequenz des Leistungssignals f_c um eine vorbestimmte Frequenz verschiebt; und eine Taktwiederherstellungsschaltung, die in Wirkverbindung mit der zweiten Empfangsschaltung (106) steht, die einen Ausgang hat, der das Taktsignal trägt.
Tragbarer Datenträger (100) gemäß Anspruch 7, der weiter eine Übertragungsschaltung (110) umfasst, die abgestimmt ist, um Datensignale auf einer zweiten Teilträgerfrequenz, f_s2, die im Wesentlichen gleich f_s1 ist, an ein Endgerät zu übertragen.
Tragbarer Datenträger (100) gemäß Anspruch 7, der weiter eine Übertragungsschaltung (110) umfasst, die abgestimmt ist, um Datensignale auf einer zweiten Teilträgerfrequenz, f_s2, die im Wesentlichen von f_s1 getrennt ist, an ein Endgerät zu übertragen.
Tragbarer Datenträger (100) gemäß Anspruch 7, 8 oder 9, wobei die Taktwiederherstellungsschaltung eine PLL-Schaltung und einen Vervielfacher umfasst.