JP2008502964A - 同期位相非接触復調方法、関連する復調器と読取器 - Google Patents

Abstract

【課題】読取器と応答機との間の通信を改善する為に、非接触応答機の読取器のための復調方法とシステムにおいて、読み取り装置（１７、１８）によって発生した磁場に対して応答機が引き起こす位相変動とは無関係に応答機から出た信号の復調を可能にする。
【解決手段】応答機のメッセージの検出を、発生した磁場の位相に、あるいは位相を表す値（電圧、電流、など）に従属させる。
【選択図】図９

Description

本発明は非接触応答機の読取器のための復調方法とシステムに関するものである。より詳細には、本発明は読取器と応答機の間の通信改善に関するものである。

以下の説明において、応答機は電磁場を用いて検出されるか通信するのに適した一切の識別装置を指し示すものとする。さまざまな装置とは、例えば、アンテナ通信インターフェイスを備えた非接触型のＩＣカードまたは電子タグである。本出願においてとくに対象とするのは、コンデンサもしくは集積回路、またはその他の電子構成部品に接続されたコイルを含む電磁応答機である。

以下の説明において、読取器は所与の周波数で電磁場を発生するアンテナを備えた送受信装置を指し示すものとする。該装置のアンテナは、電磁場を変調し、電磁場の変動を測定することも可能にする。読取器のアンテナは一般的に一つまたは複数のコイルで構成される。

読取器・応答機システムは使用される応答機の種別に応じて多少とも複雑な仕方で作動する。一般的作動原理は所与の周波数の電磁場の発生からなる。応答機は電磁場に入ったとき、給電されて反応する。応答機の反応は電磁場の変動を引き起こし、該変動は読取器によって検出される。

もっとも複雑なシステムにおいて、応答機は例えば、コイルに接続された集積回路を有し、コイルと集積回路はとくに同調された共振回路を形成する。電磁場内に応答機が存在することによって集積回路に電流が流れて電磁場を変調させ、その存在を読取器に知らせる。ついで、電磁場の変調によって応答機と読取器の間で対話を行うことができる。これらのシステムは非接触ＩＣカードまたは電子タグという名称で知られており、多数の用途分野で使用されている。

読取器（図１）は一般的に、固定周波数の電流または電圧発生器と、例えば、少なくとも一巻きの円形の平坦コイルによって実現されたアンテナとから成る。関心のある事例において（ＩＳＯ／ＩＥＣ規格１４４４３の製品）、この周波数は１３．５６ＭＨｚである。これは対象技術分野によって異なることがある。

読取アンテナは導体と同一視することが可能であり、導体に電流が流れたときに磁場が発生する。磁場の向きは電流の流れる方向によって決まる。導体によって形成された電流ループにこの電流が流れると、片面にＮ極が、他方の面にＳ極が発生する。

応答機がこの読取場におかれると、自己のコイルによって、応答機それ自体も磁場内を移動する導体に同一視できる。流束線を切断して、導体が磁場の中を移動するとき、導体内にＥＭＦ（起電力）が誘導される。同様に、固定回路を介して流束が変化するときにもＥＭＦ電圧が誘導される。いずれの場合にも、この誘導されたＥＭＦ電圧と流束の変動率はファラデーの法則によって結びつけられる：ｅ＝−ｄｐｈｉ／ｄｔ。

図２は先行技術において一般的に用いられている読取器システムを示している。該システムは、所与の周波数で電流を発生するための発生器１と、連結ケーブル２と、インピーダンス整合回路３とアンテナ４とで構成される。発生器は整合インピーダンス電荷で供給することのできる出力を特徴とする。このインピーダンスの値は一般的に５０オームであり、発生器（１）の出力インピーダンスに対応する。整合回路（３）は発生器（１）が供給することのできる最大出力をアンテナ（４）に伝達するために必要である。

読取器・応答機システムは使用される応答機の種類に応じて多少とも複雑な仕方で作動する。応答機は電磁場に入ったとき、給電されて反応する。応答機の反応は電磁場の変動を引き起こし、該変動は読取器によって検出される。

最も簡単なシステムにおいて、応答機は例えば、コイルとコンデンサで構成され、それらの全体が電磁場の周波数に同調した発振回路を形成する。電磁場の中に応答機が存在することによって発振回路が共鳴し、電磁場の変化を引き起こし、それは読取器によって検出できる。これらのシステムは、きわめて単純なので、商店の盗難防止に広く用いられている。

応答機と読取器を用いるシステムの大きな問題は、アンテナと応答機の間の伝達距離を減らすことなしに読取器の放射出力を減らしながら、最大の効率でその作動に必要なエネルギーを応答機に供給することである。

集積回路応答機の場合、問題はきわめて複雑になる、なぜなら電磁場は一方では集積回路に給電し、他方では応答機と読取器の間に単方向あるいは双方向通信を確立させるための搬送周波数の役割を果たすからである。実際、これら二つの用途にこの磁場を用いることは矛盾になる。

通信を実施することができるためには、電磁場の周波数および／または振幅を変調する必要がある。しかしながら、当業者には周知のごとく、アンテナによって発生された電磁場の出力が大きすぎるとき、読取器は応答機によって誘導された電荷変動によって引き起こされたこの電磁場の振幅変動に対する感度が低下する。これはＳＮ比の問題である。同じく当業者には周知のごとく、電磁場発生出力の増大は集積回路内に加熱を引き起こし、それが集積回路の部分的、一時的、全体的さらには最終的破壊につながることがある。

さらに周知のごとく、応答機のコイルが読取アンテナと同一の周波数（これは好適には優れた発射効率を得るための伝達周波数である）と同調しているときに、通信上の弱点が存在する。この大きな問題は、想定限度外ではなく、正規の作動距離の全長にわたって発生することがある。実際、応答機・読取器の結合に応じて、応答機によって磁場に誘導される電荷変動は、読取アンテナを介してみたとき、応答機が電磁場に作用するか否かにかかわらず、等しくなることがある。そのため、読取器はメッセージを復号することができない。この読取器の問題はそれに用いられる復調方法の選択によって程度が異なる。

実際、この「通信上の弱点」の問題は重大で、読取器と応答機によって定義されたシステムの精密な分析によって説明されるものである。

図２の概略図に戻ると、先行技術は固定周波数（ＩＳＯ／ＩＥＣ規格１４４４３では１３．５６ＭＨｚ）の正弦波信号を発生し、インピーダンス整合の後、一般的に一つまたは複数の巻きを含む導体で構成されるアンテナに投入することからなることが確認される。先に述べたごとく、この導体を通って流れる電流は同じ周波数の磁場Ｈを発生する。この磁場は、読取アンテナの誘導部分があるので発生器から出た電流と同位相にならず、むしろ反対位相になる。

読取アンテナと応答機の間に一切の結合がないとき、上述の位相ずれは固定されたままである。

しかしながら、応答機が読取アンテナから発生した磁場Ｈに入るとすぐに、結合が発生し、読取アンテナの誘導特性はそれによって変えられる。このとき、その結果として、磁場Ｈと発生器によって生成した信号の間に位相ずれの変動が生じることになる。

この位相ずれはもはや一定ではない。それは結合に、したがって、アンテナに対する応答機の位置、アンテナが実施する動作に応じて変動するアンテナの消費電流とそれを構成する非線形要素に左右される。

この位相変動は読取器／応答機通信に切断を引き起こす。その最良の場合（二重同期検出復調器）において、該変動は読取器から見た信号の減衰を引き起こす。最悪の場合（単純同期検出または直接復調）、応答機から出た信号は読取器には見えない。

応答機によって送り返されたメッセージを復号するために、現在、読取器によって多数の復調方法が用いられている。

一番単純な方法は、抵抗６とフィルタリングコンデンサ（７）に組み合わされたダイオード（５）などの単純な非線形部品で実現された直接復調（図３）である。

一番複雑なものは、図４に示したようなＩ／Ｑと呼ばれる二重同期検出を使用する。

直接復調の場合（図３）、復調器は入力に存在する電荷のインピーダンス変動（Ｖｅ）を感知する。このインピーダンスは２つの部分、すなわち実数部分と虚数部分、からなる複素数によって表される。このタイプの復調器はこの複素数によって表されるベクトルの（長さ）モジュールの変動を感知する。この長さは応答機によって送り返されたメッセージのリズムによって変動する。所与の結合について二つの長さＺ１とＺ２が存在する。復調した信号の振幅はこれら二つのベクトルの長さの差に対応する。

しかしながら、図５は２つの異なるベクトルが等しい長さを有することがあることを示している。Ｚ１とＺ２の長さが等しい円のそれぞれが「通信上の弱点」に対応する。実際、二つの長さが等しいので、復調器は応答機が取った二つの論理状態の間の差を一切見分けられない。位相の影響はこの障害のパラメータの一つとして現れる。

非接触応答機の読取器の一環としての直接検出復調器の使用は、読取アンテナと応答機の間の結合に応じて通信の完全な切断を引き起こすことがある。

図４に示したような最も複雑な復調器の場合（Ｉ／Ｑ型の二重同期検出）、応答機によって誘導された位相ずれが復調信号の振幅減衰を引き起こすことがあることが分かった。この減衰は最大信号に対して０．７０７の比率に達することがある。

この最大減衰に達するのは、磁場Ｈの位相が発生器から出た信号に対してπ／４だけ位相がずれたときである。位相ロックループ（ＰＬＬ）は一定振幅で搬送波の周波数を再構成することができるが、反対に、搬送波の周波数と再構成周波数の間の位相差「ｐｈｉ」が残る。

したがって、非接触応答機の読取器は、振幅復調装置の中でもっと完成されたものを備えていても、読取器によって発生した信号に対する磁場Ｈの位相の制御できない変動があるので、復調信号の減衰による通信切断を受ける可能性がある。

ＩＳＯ／ＩＥＣ規格１０３７３−６はＩＳＯ／ＩＥＣ規格１４４４３に合致するために読取器と応答機に適用される試験方法を定義している。

読取器に向かう通信レベルにおいて規格に合致するために、応答機は測波帯の振幅が少なくとも３０／Ｈ^1.2（Ｈは磁場の振幅）に等しい逆変調信号を発生する必要がある。読取器に関しては、規格に合致するために、位相にかかわらず、この振幅の少なくとも一つの信号を復調できなければならない。

上述の方法はそれができないことが判明した。なぜなら、３０／Ｈ^1.2のメッセージの振幅を検出できるＩＳＯ／ＩＥＣ規格１４４４３に合致する読取器は、応答機の影響で読取器の感度に対して大きすぎる変調信号減衰が引き起こされたとき、とくに減衰が最大になるπ／４の位相差の時に、同じくＩＳＯ／ＩＥＣ規格１４４４３に合致している応答機であっても、応答機を検出できないことがある。
ＩＳＯ／ＩＥＣ規格１４４４３ ＩＳＯ／ＩＥＣ規格１０３７３−６

したがって、解決すべき技術的問題は次のように記述することができる。

一方で、非接触応答機の読取器の読取感度は、使用する復調原理とは無関係に、一方の、読取器のアンテナに印加された電流と、他方では結果として生じる磁場のそれとの間の位相変動の影響を受ける。他方で、この位相差はさらに応答機と読取器のアンテナの間の距離に応じて変動する。その結果として生じる大きな問題が減衰であり、さらには復調信号の振幅が完全に消滅し、応答機が移動したときに読取器と応答機の間の通信切断を引き起こすことがある。

したがって、本発明は読み取り装置によって発生した磁場に対して応答機が引き起こす位相変動とは無関係に応答機から出た信号の復調を可能にすることを目的とする。

本発明の方法の原理は、応答機のメッセージの検出を、発生した磁場の位相に、あるいは位相を表す値（電圧、電流、など）に従属させることからなる。

好適には、復調器の検出器はメッセージ取得の同期のために、クロック信号として、磁場から発生した信号を使用する。したがって、応答機によって誘導された磁場の一切の位相変動は復調装置に振り向けられる。この方法において、先行技術とは異なり、発生器のクロック信号ではなく、磁場Ｈから発生した同じ周波数の信号が復調器の位相基準に用いられる。

このため、本発明の第一の対象は、応答機の信号が所定の瞬間または周波数で検出される過程からなる非接触応答機によって誘導された電磁場（Ｈ）の信号の復調方法である。該方法は検出の瞬間または周波数が電磁場と位相同期していることを特徴とする。

該方法のその他の特徴または変形例によれば、
・同期のために、追加コイル内で電磁場（Ｈ）によって誘導された流束を検知し、流束の位相を同期の要素として使用する。
・同期のために、電磁場を発生する電流の位相を検知し、それを同期の要素として使用する。
・電磁場（Ｈ）の周波数に等しく、同位相のサンプリング周波数で応答機の信号を検出する。
・電磁場またはその発生電流から採取した位相から同期クロックＣＬＫを発生し、信号検出瞬間のタイミングのためにこのクロックを使用する。

本発明は、電磁場送受信主アンテナと、サンプリング周波数によって電磁信号をサンプリングする手段を含む電磁信号復調器とから成る非接触応答機の読取器も対象とする。

読取器は、電磁場の位相と同様に復調器の前記サンプリング周波数のタイミングを取り、位相同期するのに適した同期手段を含んでいることを特徴とする。

その他の特徴または実施態様によれば、
・同期手段は応答機によって使用される磁場（Ｈ）の一部を検知するのに適した追加のアンテナと、電磁場（Ｈ）の同期サンプリング命令信号を発生するのに適したサンプリング命令回路とを備えている。
・同期手段は電場（Ｅ）を感知するアンテナを備えている。
・同期手段は、読取アンテナを形成する導体内を循環する電流の一部を採取し、サンプリングを同期するために位相の情報をそこから抽出するのに適した電流分路手段を備えている。
・追加のアンテナは主アンテナに対して同調していない。
・復調器は同期検出復調器である。

最後に本発明は、電磁場（Ｈ）内の非接触応答機によって誘導された信号の復調器において、所定の瞬間に関与する信号検出器と、検出を電磁場の位相に従属させる手段とから成る復調器を対象とする。該復調器は従属手段が位相との同期を連続して確保することを特徴とする。

本発明のその他の特徴と利点は、付属の図面を参照して、特定の実施例の下記の説明を読むことによって明らかになるだろう。
−（前掲の）図１と２は先行技術の非接触読取器を図示している。
−（前掲の）図３は先行技術の直接復調を利用する読取器電子図を図示している。
−（前掲の）図４と５は先行技術のＩ／Ｑ二重同期検出復調の原理図を図示している。
−図６は本発明による読取アンテナの実施態様を図示している。
−図７は本発明の読取器のアナログ実施態様を図示している。
−図８は図７の読取器の実施に関する処理作業の結果を図示している。
−図９は本発明の読取器のデジタル実施態様を図示している。

本発明の実施態様の一つが図６に示されている。有利には、従属は、その値が応答機のそれに比べて読取器（１）のアンテナに対して無視できる結合効果を有する、少なくとも一巻きを有する、追加のコイルまたはアンテナ８を用いて実現することができる。

このコイルは応答機に使用される磁場の一部を検知するように位置づけられる。とくに、該コイルは読取アンテナと一体化することができ、好適には、それと同心とする。接続端子９は読取アンテナのインピーダンス整合回路に接続され、端子１０は磁場Ｈの同期信号を読取器に戻すのに用いられる。

磁場Ｈのこの追加同期コイルによって発生した信号は応答機のメッセージをアナログまたはデジタルでサンプリングするのに用いられる。

図７と９は読み取り装置１７、１８（アンテナ、読取器）のアナログおよびデジタル実施態様をそれぞれ示している。図７の概略図において、読取アンテナ４から出たメッセージＥはその出力に信号Ｓを発生するアナログ乗算器１１内に入力され、レベル整合段階１３の後に追加コイル（８）から出た信号は取得ラインに結びつけられる位相外しの固定部分を補正するための（図示されていない）調整受動移相器１２によって処理される。この信号は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）（Ｍ１）に入力されるＶｃと呼ばれる切断（サンプリング）命令を活性化するために用いられる。この命令は次のようなものである：
ｉｆ Ｖｃ＞０ ＝＞ Ｓ＝＋Ｅ
ｉｆ Ｖｃ＜０ ＝＞ Ｓ＝−Ｅ

これは値が＋／−１の方形波信号ＣによってＥを乗算し、Ｓ（ｔ）＝Ｅ（ｔ）・Ｃ（ｔ）とすることに帰着する。この操作の結果は図８に示した。

このアナログ乗算化関数は、Ｖｃが追加のコイル８によって生成されるので、同期検出の場合に帰着し、検出は応答機が従属する磁場Ｈの位相に従属させられる。本書に記載の位相の問題が解消する。取得は磁場と同期され、応答機の移動の際に応答機によって誘導された位相変動に影響されない。

図９において、再度このデジタル同期検出式読取器において、読取アンテナ４から出たメッセージＥが信号Ｅをサンプリングするためのアナログ／デジタル変換器１４の入力に投入される。この変換器はメッセージ取得に十分なダイナミクス（１２ビット）を有するように選択される。レベル整合段階１３の後に追加コイル８から出た信号も取得ラインに結びつけられる位相ずれの固定部分を補正するための調整受動移相器によって処理される。この信号は、磁場の検知されたクロックのタイミングでアナログ／デジタル変換器１４のサンプリングをトリガーするのに用いられる。クロック入力によって引き起こされるトリガーごとに変換器によって取得されたサンプルはその出力バス１５上でデジタルの形で利用可能になり、処理手段１６によって処理される。この処理手段は例えば、プログラム式の暗号／復号装置（ＦＰＧＡ）またはマイクロプロセッサ装置とすることができる。

本発明による方法が読取アンテナによって発生した磁場Ｈに由来する情報を用いて復調を制御することをもって成ることを考慮して、他の実施態様を有利に使用することができる。実際、追加コイル（図６−３）は磁場Ｈではなく電場Ｅを感知する別の装置に代えられる。この場合、閉じた輪郭を有する平坦コイルは電場を感知するダイポールアンテナに代えなければならないことになる。このとき、信号を復調段階に戻す前に整合・増幅段階が必要になる。

もう一つの実施態様は、例えば、低い負荷を用いて（きわめて低い値の抵抗：０．２オーム）読取アンテナを形成する導体（図６−１）内を流れる電流の一部を採取し、整合後の位相情報を復調段階に戻すことをもって成る。なぜなら、導体内を流れる電流は、その源である磁場Ｈと同位相だからである。

したがって、本発明の方法は、復調信号基準の正規化のために非接触製品の試験方法に関するＩＳＯ／ＩＥＣ規格１０３７３−６に記載のものを補足することができる。

先行技術の非接触読取器を示す図である。 先行技術の非接触読取器を示す図である。 先行技術の直接復調を利用する読取器の電子図である。 先行技術のＩ／Ｑ二重同期検出復調の原理図である。 先行技術のＩ／Ｑ二重同期検出復調の原理図である。 本発明による読取アンテナの実施態様を示す図である。 本発明の読取器のアナログ実施態様を示す図である。 図７の読取器の実施に関する処理作業結果を示す図である。 本発明の読取器のデジタル実施態様を示す図である。

符号の説明

１ 発生器
２ 連結ケーブル
３ インピーダンス整合回路
４ アンテナ
５ ダイオード
６ 抵抗
７ フィルタリングコンデンサ
８ 追加コイル
９ 接続端子
１０ 端子
１１ アナログ乗算器
１２ 移相器
１４ アナログ／デジタル変換器
１５ 出力バス
１６ 処理手段
１７、１８ 読み取り装置
Ｍ１ 電界効果トランジスタ

Claims (13)

1. 応答機の信号が所定の瞬間または周波数で検出される過程からなる非接触応答機によって誘導された電磁場（Ｈ）の信号の復調方法において、検出の瞬間または周波数が電磁場（Ｈ）と位相同期していることを特徴とする方法。
2. 同期のために、追加コイル（４）内で電磁場（Ｈ）によって誘導された流束を検知し、流束の位相を同期の要素として使用することを特徴とする、請求項１に記載の復調方法。
3. 同期のために、電磁場を発生する電流の位相を検知し、それを同期の要素として使用することを特徴とする、請求項１に記載の復調方法。
4. 電磁場（Ｈ）の周波数に等しく、同位相のサンプリング周波数で応答機の信号を検出することを特徴とする、請求項２または３に記載の復調方法。
5. 電磁場またはその発生電流から採取した位相から同期クロックＣＬＫを発生し、信号検出瞬間のタイミングのためにこのクロックを使用することを特徴とする、請求項２から４のいずれか一つに記載の復調方法。
6. 電磁場送受信主アンテナ（４）と、サンプリング周波数によって電磁信号をサンプリングする手段を含む電磁信号復調器とから成る非接触応答機の読取器において、電磁場の位相と同様に復調器の前記サンプリング周波数のタイミングを取り、位相同期するのに適した同期手段（８、１２−１６、Ｃ２、Ｍ１）を備えていることを特徴とする、読取器。
7. 同期手段が応答機によって使用される磁場（Ｈ）の一部を検知するのに適した追加のアンテナ（８）と、電磁場（Ｈ）の同期サンプリング命令信号を発生するのに適したサンプリング命令回路（Ｖｃ、Ｍ１）とを備えていることを特徴とする、請求項６に記載の読取器。
8. 同期手段が電場（Ｅ）を感知するアンテナ（４）を備えていることを特徴とする、請求項６に記載の読取器。
9. 同期手段が、読取アンテナを形成する導体内を循環する電流の一部を採取し、サンプリングを同期するために位相の情報をそこから抽出するのに適した電流分路手段を備えていることを特徴とする、請求項６に記載の読取器。
10. 前記追加のアンテナ（８）が主アンテナ（４）に対して同調していないことを特徴とする、請求項７に記載の読取器。
11. 復調器が同期検出復調器であることを特徴とする、請求項６から１０のいずれかに記載の読取器。
12. 同期検出がデジタルであることを特徴とする、請求項６から１１のいずれか一つに記載の読取器。
13. 電磁場（Ｈ）内の非接触応答機によって誘導された信号の復調器において、所定の瞬間に関与する信号検出器と、検出を電磁場の位相に従属させる手段とから成り、従属手段が位相との同期を連続して確保することを特徴とする復調器。

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