FR2987962A1 - Dispositif d'emission de donnees par couplage inductif - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un dispositif d'émission de données par couplage inductif, comprenant un circuit d'antenne de type inductif comportant une bobine excitée par un signal d'antenne, un étage de filtrage, un étage amplificateur et un étage de commande de l'alimentation de l'amplificateur permettant de moduler l'amplitude du signal d'antenne.

Description

La présente invention a pour objet un dispositif d'émission de données par couplage inductif, comprenant un circuit d'antenne de type inductif comportant une bobine excitée par un signal d'antenne, un étage de filtrage, un étage amplificateur et un étage de commande de l'alimentation de l'amplificateur permettant de moduler l'amplitude du signal d'antenne. La présente invention concerne notamment les dispositifs prévus pour échanger des données avec des objets portatifs électroniques comportant un circuit intégré sans contact, comme, par exemple, les lecteurs de cartes à puces sans contacts, les lecteurs de badges électroniques, les passeports biométriques. Selon la norme ISO 14443, la bobine d'antenne d'un lecteur de circuit intégré sans contact est excitée par un signal d'antenne de fréquence porteuse de 13,56 MHz. La transmission de données au circuit intégré sans contact est effectuée par une modulation de l'amplitude du signal d'antenne avec une profondeur de modulation de 100% dans le cadre du « type A » et d'environ 10% dans le cadre du « type B » comme décrit schématiquement sur la figure 2. Les premiers dispositifs classiques bien connus de l'homme de l'art sont généralement réalisés sous une forme analogique, spécifiquement en ce qui concerne la partie émettrice du signal d'antenne. Ces dispositifs sont toutefois délicats à mettre au point, onéreux, et sont très dépendants de la nature de l'antenne. Par exemple, sur la figure 1, est décrit ce type de réalisation. Il comprend en général un microprocesseur, un oscillateur, un transistor de modulation et un circuit d'antenne de type résonnant. Le circuit d'antenne comprend une bobine d'antenne et parallèle avec un condensateur et reçoit une tension d'alimentation continue par l'intermédiaire d'une inductance et d'une capacité d'isolement Le transistor de modulation est connecté aux bornes de la bobine par l'intermédiaire de ka capacité d'isolement. L'oscillateur délivre un signal (S1) oscillant à 13.56MHz et le microprocesseur délivre sur un de ses ports de sortie un signal binaire (S2) de modulation d'amplitude. Les signaux S 1 et S2 sont appliqués à une porte ET dont la sortie délivre un signal de sortie S3 appliqué au transistor. Le signal délivré à l'antenne (et donc traversant la bobine) est à l'image du signal S3. Ce dispositif de transmission de données offre l'avantage d'être relativement simple mais ne permet pas de proposer une modulation de type B, c'est-à-dire une modulation de 10% du signal d'antenne. Des solutions ont été proposées permettant de pallier cet inconvénient mais aboutissent à des résultats complexe, délicates à mettre au point, d'un cout de revient non compatible avec des produits « grand public » à faible cout, et difficilement intégrables rapidement avec plusieurs types d'antennes. Notre invention pallie ces différents inconvénients en proposant un dispositif d'émission de données par couplage inductif, comprenant un circuit d'antenne de type inductif comportant une bobine excitée par un signal d'antenne, un étage de filtrage, un étage amplificateur et un étage de commande de l'alimentation de l'amplificateur permettant de moduler l'amplitude du signal d'antenne. Ainsi, un objectif de la présente invention est de proposer un dispositif du type décrit ci-dessus qui puisse moduler le signal d'antenne avec plusieurs profondeurs de modulation permettant de répondre à la norme ISO 14443, notamment pour les type A et type B.

Selon un mode de réalisation, la mise au niveau logique « haut » dudit signal de commande permet d'obtenir une modulation à 100%. Selon un mode de réalisation, la mise au niveau logique « bas » dudit signal de commande permet d'obtenir une modulation à 10 %. La présente invention décrit également un dispositif d'émission de données par couplage inductif, comprenant un circuit d'antenne de type inductif comportant une bobine traversée par un signal d'antenne, un étage de filtrage, un étage amplificateur et un étage de commande de l'alimentation dudit amplificateur, caractérisé en ce que en ce que l'étage amplificateur alimente le circuit d'antenne inductif et en ce qu'il est agencé pour moduler l'amplitude du signal d'antenne conformément au procédé de l'invention. Selon un autre mode de réalisation, l'étage de commande de l'alimentation de l'amplificateur est piloté par un signal de commande représentatif des données à transmettre par modulation d'amplitude du signal d'antenne. Selon un mode de réalisation, les amplificateurs sont des amplificateurs numériques. Appelés également buffers numériques, ces amplificateurs ne sont pas linéaires et sont habituellement utilisés pour amplifier des signaux numériques à deux états. Utilisés tels que, sans adjonction de l'étage de commande de l'alimentation de l'amplificateur, l'invention ne pourrait fonctionner qu'en mode de modulation de type A, c'est-à-dire obtenir une modulation de 100%. Selon un mode de réalisation, l'étage de commande de l'alimentation de l'amplificateur est réalisé par un élément induisant une chute de tension et un interrupteur permettant de délivrer à l'alimentation de l'étage amplificateur suivant l'état binaire dudit signal de commande : - soit l'alimentation nominale du dispositif, - soit la tension nominale du dispositif atténuée de ladite chute de tension. Ce type innovant de réalisation de l'invention permet donc de pouvoir alimenter les amplificateurs à différentes tensions et permettre une modulation inférieure à 100%. Selon un mode privilégié de réalisation de l'invention, ladite fonction « interrupteur » est conçue à l'aide d'un transistor et l'organe réalisant la chute de tension est réalisé à l'aide d'une diode. Cette chute de tension, pour une diode d'environ 0.6 volts, permet de baisser d'autant la tension d'alimentation des amplificateurs numériques. Par exemple, habituellement alimentés à une tension d'environ 5 Volts dans un cas particulier de réalisation de l'invention, les signaux de sortie de l'amplificateur atteindrons seulement 4,4 volts, soit environ 12% de diminution de la valeur nominale obtenue lorsque l'étage réalisant la chute de tension n'est pas activé.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, il est aisé de pouvoir augmenter la puissance émise par l'étage amplificateur en disposant plusieurs amplificateurs numériques en parallèle. En effet la mise en parallèle permet d'augmenter le courant envoyé vers l'antenne et, par ce fait, d'augmenter la puissance émise. L'intérêt d'utiliser ce type d'amplificateur apparait dans ce mode de réalisation, aucun autre composant n'est nécessaire, ni pour gérer cette augmentation de puissance, ni même pour adapter l'étage amplificateur à l'impédance de l'étage d'antenne. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées. La figure 1 est un exemple de dispositif antérieur à l'invention. La figure 2 présente les chronogrammes des deux types de modulation préconisée par la norme ISO 14443, type A et type B. La figure 3 est une représentation synoptique de l'invention.

La figure 4 est un mode de réalisation de l'invention. Un objectif de la présente invention est de prévoir un dispositif de transmission de données du type décrit ci-dessus qui puisse moduler le signal d'antenne avec différente profondeurs de modulation, notamment de 100% et de 10% tout en restant d'une structure simple, peu couteux à réaliser et indépendant de l'antenne connectée.

Pour atteindre cet objectif, notre invention propose un procédé pour moduler l'amplitude d'un signal d'antenne d'un circuit d'antenne inductif comportant un étage amplificateur et un étage de commande de l'alimentation de l'étage amplificateur, au moyen d'un signal de commande possédant deux états distincts caractérisé en ce que l'étage amplificateur alimente le circuit d'antenne inductif et en ce qu'il comprend les étapes à mettre à un niveau logique « haut » ledit signal de commande afin d'alimenter au maximum la tension d'alimentation de l'étage amplificateur, et mettre à un niveau logique «bas» ledit signal de commande (e) pour moduler la tension d'alimentation de l'étage d'amplificateur. Ainsi, un objectif de la présente invention est de proposer un dispositif du type décrit ci-dessus qui puisse moduler le signal d'antenne avec plusieurs profondeurs de modulation permettant de répondre à la norme ISO 14443, notamment pour les type A et type B. Pour maintenant décrire un mode de réalisation de l'invention, il faut se référer aux figures 3 et 4. La figure 3 représente schématiquement un dispositif de réalisation de l'invention, la figure 4 représente un mode de réalisation. Ce dispositif est constitué par un circuit intégré spécialisé 31 permettant de gérer le protocole du flux de données suivant la norme ISO 14443 et, par exemple, apte à se connecter facilement à un microprocesseur. Ce circuit 31 délivre les signaux de données binaires TX1 et TX2 représentatifs de ce protocole. Ces deux signaux sont en fait identiques mais déphasés de 180° afin de pouvoir attaquer l'antenne en mode différentiel. Ces signaux binaires sont appliqués à un amplificateur numérique de puissance 32 apte à augmenter la tension et le courant qui seront envoyés à l'antenne 34. Entre ces deux modules, il est nécessaire d'intercaler un filtre 33 permettant d'extraire la fondamentale, c'est-à-dire un signal sinusoïdale, à la sortie de l'amplificateur 32. Ce filtre, de type passe-bas, sera avantageusement réalisé avec un filtre dit en n, comme indiqué en figure 4. Ce filtre est indispensable pour commander l'antenne par des signaux sinusoïdaux non polluants d'un point de vue électromagnétique et réaliser une adaptation d'impédance entre l'étage amplificateur 32 et l'antenne 34 elle-même. Ce filtre est donc indispensable avec l'emploi d'amplificateurs de puissance numériques. Le signal émis par l'antenne peut être capté par un périphérique externe, non décrit dans le descriptif de l'invention, mais qui peut être, par exemple, une carte à puce dite carte sans contact, elle-même disposant d'une antenne de fonctionnalité identique et émettant des informations liées à celle envoyées par notre dispositif. Le signal RX est le signal contenant les données émises par le dispositif externe et captées par l'antenne 34. Ces données sont ensuite, dans un mode particulier de réalisation, envoyées vers le circuit 31 qui les décodera. Avec la structure ci-dessus décrite, le dispositif est toutefois uniquement apte à émettre des données en modulation de type A. En effet, ce type d'amplificateur est numérique, et donc non linéaire ; il amplifiera le signal disposé à son entrée à une valeur très proche de celle de sa tension d'alimentation. Ceci étant, l'utilisation de ce type d'amplificateur est totalement indépendante de l'antenne auquel il est connecté, notamment vis-à-vis de son impédance, grâce à l'ajustement de quelques éléments passifs du filtre 33. De plus, afin d'augmenter la puissance qui sera émise par l'antenne, il suffit simplement de mettre en parallèle plusieurs amplificateurs numériques pour augmenter le courant électrique envoyé à l'antenne en maintenant une tension nominale. Dans un mode privilégié de l'invention, nous avons disposé 3 buffers logiques en parallèle alimentés par une tension de 5V, chaque buffer fournissant un courant de 32 mA ce qui permet d'obtenir un rayonnement de l'antenne d'une valeur de 3A/m. La norme ISO 14443 autorisant une puissance de rayonnement de 7A/m, il suffit donc d'augmenter le nombre de buffer pour augmenter la puissance et ceci sans modifier la structure de l'antenne.

Afin de pouvoir utiliser ce type de dispositif dans le cadre d'une modulation de type B, un ensemble modulateur (35 et 36) est ajouté afin de permettre de modifier la profondeur de modulation. Cet ensemble modulateur est constitué schématiquement d'un interrupteur électronique commandé 36 disposé en parallèle avec un circuit de profondeur de modulation 35. L'entrée de cet ensemble modulateur est connectée à la sortie du module générateur de tension nominale 37, sa sortie est connectée aux alimentations des buffers numériques 32. La commande de l'interrupteur 36 est connectée au circuit intégré 31 et est représentative de la modulation RFID comme représenté schématiquement à la figure 2. Lorsque le signal de modulation est à l'état haut, l'interrupteur est fermé et la tension d'alimentation nominale issue de 37 est délivrée aux entrées d'alimentation des buffers numériques 32. Cet état impose donc la valeur maximum de la puissance de la fréquence porteuse transmise à l' antenne. Lorsque le signal de modulation est à l'état bas, l'interrupteur est ouvert et la tension d'alimentation nominale issue de 37 est délivrée aux entrées d'alimentation de 32 via le circuit de profondeur de modulation 35. Cet état délivre donc sur l'antenne une fréquence porteuse de moindre amplitude qui correspond à la modulation requise. Comme indiqué dans la figure 3, le module 35 pourrait être réalisé par des composants électroniques permettant de proposer différentes profondeurs de modulation. Dans ce cas, un signal « Commande de la profondeur de modulation » généré par le processeur 31 permet de changer cette profondeur.

Pour transmettre une modulation IS014443 de type A, qui correspond à une modulation d'amplitude de 100% de la porteuse, deux solutions sont valides dans le cadre de ce dispositif selon les possibilités offertes par le circuit intégré de commande 31. Une première consiste à couper les signaux de commande TX1 (et TX2) pour effectuer la modulation si le circuit le permet. Une seconde consiste à commander le circuit de profondeur de modulation 35 de manière à couper temporairement l'alimentation de l'amplificateur 32, la technologie des buffers numériques utilisée permettant ce moyen.

Pour transmettre une modulation IS014443 de type B ou bien selon les normes FeliCa, qui correspondent à une modulation d'amplitude partielle comprise entre 8 et 14%, la commande de profondeur de modulation appliquée à 35 imposera une baisse de tension d'alimentation des amplificateurs 32 en fonction de la profondeur de modulation requise.

Dans un mode privilégié de réalisation de l'invention, le circuit intégré de commande 31 permet de couper les signaux TX1 (et TX2) pour moduler l'émission à 100%, que par ailleurs le générateur de tension nominale de l'amplificateur 37 délivre 5 volts, que l'interrupteur électronique 36 est constitué d'un transistor MOSFET canal P, que le circuit de profondeur de modulation 35 est constitué par une diode comme indiqué sur la Fig.4 et que le signal de modulation est mis en forme par un circuit buffer inverseur disposé entre le circuit intégré de commande 1 et l'interrupteur électronique 36. Lorsque le signal de modulation est à l'état bas, l'interrupteur 36 est fermé et la tension délivrée par le module générateur de tension nominale 37 est délivrée aux entrées d'alimentation des buffers numériques 32. L'état haut du signal de sortie des amplificateurs sera donc d'une valeur égale ou très proche de la tension nominale et la puissance de la porteuse sur l'antenne est maximum d'alimentation générale du dispositif. Lorsque le signal de modulation est à l'état haut, l'interrupteur est ouvert et la tension délivrée par le module générateur de tension nominale 37 se retrouve aux bornes du module 35. La présence de la diode entraine donc une chute de tension d'une valeur proche de 0,6 Volts par rapport à cette tension nominale. Le générateur d'alimentation 37 délivrant, dans notre application, 5 Volts, les signaux de sortie des amplificateurs seront donc d'une amplitude égale à 5 moins 0,6 donc d'environ 4,4 Volts, soit une profondeur de modulation de 12% par rapport au signal nominal, ce qui compatible avec la norme ISO 14443 spécifiant la modulation de type B (entre 8 et 14%). Ces états sont représentatifs d'une modulation de type B (10%).

Ce dispositif est donc apte à permettre un quelconque niveau de modulation en fonction de la nature du ou des composants constituant le circuit de profondeur de modulation 35. Dans un mode particulier de réalisation, comme indiqué dans les figures 3 ou 4, le module générateur de tension nominale 37 permet de fournir une alimentation de l'étage amplificateur compatible avec ce dispositif. En effet, suivant le processeur employé et son environnement (intégré dans un appareil mobile, nomade et pouvant donc posséder de faibles ressources en énergie), la tension générale utilisée pour les circuits intégrés de commande est de 3,3 V. Afin de proposer une puissance rayonnée suffisante dans le cadre de nos applications, il sera nécessaire d'alimenter les buffers numériques en 5V. Ce module générateur 37 permet d'augmenter la tension nécessaire à l'étage amplificateur. Le module 37 est piloté par le circuit intégré de commande via le signal « Commande de puissance » et permet de couper l'alimentation des amplificateurs 32 et donc garanti une économie d'énergie du dispositif. Un module de filtrage 33 permet d'extraire la fondamentale du signal carré par les amplificateurs 32. L'homme de l'art réalisera aisément ce filtre passe-bas passif qui possède, par exemple dans notre mode de réalisation, une structure en n apte à travailler dans les fréquences 13,56 MHz. Les signaux à la sortie de ce module 33 sont ensuite envoyés classiquement à l'antenne 34. Bien entendu d'autres filtres peuvent être prévus. Par ailleurs, la fréquence de 13,56 MHz n'a été donnée qu'en tant qu'exemple décrit dans la norme ISO 14443.

D'une façon générale, le mode privilégié de l'invention décrit permet de réaliser des lecteurs de circuits sans contact polyvalents et d'un faible prix de revient et de mise au point et trouve des applications « grand public », non limitative, dans des domaines comme le porte-monnaie électronique, le tickets de transport électroniques, l'identification d'objets, le contrôle d'accès ...

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé pour moduler l'amplitude d'un signal d'antenne d'un circuit d'antenne inductif (34) comportant un étage amplificateur (32), un étage de commande (35,36), de l'alimentation de l'étage amplificateur au moyen d'un signal de commande possédant deux états distincts caractérisé en ce que l'étage amplificateur alimente le circuit d'antenne inductif et en ce qu'il comprend les étapes à : Mettre à un premier niveau logique ledit signal de commande afin d'alimenter à sa valeur maximum la tension d'alimentation de l'étage amplificateur, et Mettre à un second niveau logique, inverse du précédent, ledit signal de commande pour moduler la tension d'alimentation de l'étage d'amplificateur.
2. 2. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mise à un premier niveau logique dudit signal de commande induit une modulation à 100% dudit signal d'antenne.
3. 3. Procédé, selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la mise à un second niveau logique, inverse du précédent, dudit signal de commande induit une modulation inférieure à 10% dudit signal d' antenne.
4. 4. Dispositif d'émission de données par couplage inductif, comprenant un circuit d'antenne de type inductif (34) comportant une bobine traversée par un signal d'antenne, un étage de filtrage (33), un étage amplificateur (32) et un étage de commande (35,36) de l'alimentation dudit amplificateur, caractérisé en ce que en ce que l'étage amplificateur alimente le circuit d'antenne inductif et en ce qu'il est agencé pour moduler l'amplitude du signal d'antenne conformément au procédé de l'une des revendications 1 à 3.
5. 5. Dispositif, selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit signal de commande est représentatif des données à transmettre par modulation d'amplitude du signal d'antenne.
6. 6. Dispositif, selon les revendications 4 à 5 caractérisé en ce que ledit étage amplificateur (32) est constitué d'au moins un amplificateur numérique.
7. 7. Dispositif, selon les revendications 4 à 6 caractérisé en ce que l'étage de commande (35, 36) est réalisé par un élément (35) induisant une chute de tension et un interrupteur (36) permettant de fournir à l'alimentation de l'étage amplificateur, suivant l'état binaire dudit signal de commande, soit l'alimentation nominale du dispositif, soit la tension nominale du dispositif atténuée de ladite chute de tension.
8. 8. Dispositif, selon la revendication 7 caractérisé en ce que ledit interrupteur est réalisé avec un transistor.
9. 9. Dispositif, selon la revendication 7 à 8 caractérisé en ce que ledit élément induisant une chute de tension est au moins une diode.
10. 10. Dispositif selon la revendication 4 à 9, caractérisé en ce que la puissance émise par le circuit d'antenne est modulable en fonction du nombre d'amplificateurs (32) disposés en parallèle.20