JP3670454B2 - 非接触icカードシステム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロードスイッチ方式を用いた非接触ICカードシステムに係わり、特にリーダライタユニット(以下RWUと記述する)でのデータ復調装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
ICカード内には電源をもたず、RWU(リーダライタユニット)より電磁誘導などにより非接触で電力を伝送し、その電力でICカードを動作させる非接触ICカードシステムが開発されている。このシステムのRWUの構成を図5に、非接触ICカードの構成を図6に示す。RWUからは、搬送波発振器5の出力が変調器4を経由しパワーアンプ3で増幅され、RWUのコイルアンテナ1から送出される。図6の非接触ICカードのコイルアンテナがRWUのコイルアンテナ1に近づくと、RWUから電磁誘導で電力が伝達される。非接触ICカードのコイルアンテナはコンデンサCと並列共振回路を形成し、共振周波数は受信した搬送波の周波数に同調し、効率のよい受信を行う。この並列共振回路で受けた受信電力はブリッジ整流器で整流されて直流電源となり、平滑コンデンサで脈流が平滑されレギュレータで一定電圧に安定化されて制御部や復調器に供給されている。
【0003】
RWUと非接触ICカードの間ではデータ伝送も行われる。RWUから非接触ICカードへデータを伝送するには、図5で電力を送出しているRWUの搬送波発振器5の出力を、制御部12からの送信データにしたがい変調器4で振幅変調する。非接触ICカードではコイルアンテナで受信した電力用搬送波から変調成分を取り出し、復調器で復調する。また、送信データのクロックは、クロック抽出回路により取り出される。
一方、非接触ICカードからのデータの送出には、ロードスイッチ方式が使われることが多い。このロードスイッチ方式とは、非接触ICカードのコイルアンテナで電力を受信する場合に、受信インピーダンスを送出するデータにより変化させ、RWU側では送出した電力搬送波の送出出力振幅が変化するのを検出する方式である。例えば図6の制御部は、データ“1”を送出する場合は何もしないが、データ“0”を送る場合は、スイッチを接続し、コイルアンテナに並列に接続されているコンデンサCにさらに並列にコンデンサC1とC2の直列回路を付加する。コンデンサC1とC2の直列回路が並列に付加されると、非接触ICカードの受信コイルアンテナの共振周波数が変わるので、電力を受信する受信インピーダンスが変化し、電磁結合しているRWU側のコイルアンテナ1の負荷が変化する。そのためパワーアンプ3の送出電圧値が変化し、その変化を下記のようにしてRWUで検出することで、非接触ICカードからのデータ信号を受信することができる。
【0004】
RWUでのデータ受信は、コイルアンテナ1とパワーアンプ3の間に設けられた結合器2を介して行われる。コイルアンテナ1と電磁結合している負荷が変化することによるパワーアンプ3の送出電圧の振幅の変化を復調するためには、非同期検波方式や同期検波方式が用いられるが、同期検波方式の方が検波効率がよい。通常の同期検波方式では、受信した変調波から搬送波成分を、PLL(フェーズロックループ)回路などで抽出し、受信変調波と掛け算を行うことで変調されたデータ信号成分を取り出すが、ロードスイッチ方式では、受信変調波は、電力を送信する搬送波発振器からの搬送波であるので、搬送波成分を新たに抽出する必要はない。すなわち、図5で、結合器2で負荷変動により振幅が変化した送出電圧を取り出し、搬送波発振器5の出力と掛け算器7で掛け算を行わせる。掛け算器7の出力から、LPF(低域ろ波器)8で高周波成分を取り去り、アンプ9で増幅し、コンパレータ10でデータを判定する。受信データは整形器11で波形整形され制御部12で受信される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ロードスイッチ方式における非接触ICカードからのデータ伝送は、非接触ICカードからは搬送波を新たに送出することなくデータを送出できるので極めて簡便な方式であるが、もともとRWUとICカードの電磁結合が小さく、電力を受信するときの受信インピーダンスを変化させるだけであるので、変調度を大きくすることができない。すなわちRWUの電力用の搬送波出力に大きな振幅変化を与えることがむずかしい。そのため、RWUでのデータ復調は変調度が浅く困難な面があった。特にRWUのコイルアンテナ1と非接触ICカードのコイルアンテナの距離が離れ、電磁結合が弱まると、RWU側での復調はきわめてむづかしくなった。
【0006】
本発明の目的は、ロードスイッチ方式のデータ受信において、変調が浅い場合にもより良好なデータの復調を行うことができるICカードシステムを提供する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、リーダライタユニットとそのリーダライタユニットより電磁結合で電力を供給される非接触ICカードからなる非接触ICカードシステムであって、
非接触ICカードでは、そのアンテナ負荷を送信データに応じて可変する事により、リーダライタユニットからみた負荷の変化に少なくとも位相変化が生じるようにしてデータを送信し、
リーダライタユニットでは、前記データを受信し、データが1のときの出力振幅とデータが0のときの出力振幅の差が最大になるような移相量を予め求め、該移相量を変化させた搬送波を用いて復調することを特徴とする非接触ICカードシステムを開示する。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明になる非接触ICカードシステムのRWUの構成図である。この構成が図5の従来のRWUの構成と異なっているのは、搬送波発振器5と掛け算器7の間に移相器6が挿入されている点であり、他は同じである。以下、図1を用いて本発明のシステムに於けるデータ復調方法を説明する。
【0009】
図6で示したように、非接触ICカードのコイルアンテナに並列に挿入されているコンデンサを変化させるロードスイッチ方式では、コンデンサの容量が変わることでコイルアンテナとの並列共振周波数が電力用に受信している搬送波の周波数からずれ、RWUのコイルアンテナ1から送出される搬送波の振幅と位相に変化が生ずる。図1の結合器2で検出されたロードスイッチ方式の変調波を e(t)とおくと、 e(t)は次式で表わされる。
【数1】
e(t)=Ao(1+m)cos(ωct+θ)
ここで、Aoは搬送波の振幅、ωcは搬送波の角周波数である。mとθは非接触ICカードでコンデンサを変化させたときに搬送波に生じる振幅変化分と位相変化分で、送出データ“1”のときは、m=0、θ=0、送出データが“0”のときは、m=mo θ=θoになるものとする。この変調波e(t)は掛け算器7へ入力される。搬送波発振器5からの出力をcosωctとすると、移相器6を通過し、位相がφだけ移相した信号y(t)は、y(t)=cos(ωct+φ)となる。このy(t)が掛け算器7でe(t)と掛け算されると以下の式になる。
【数2】
e(t)×y(t)=Ao(1+m)cos(ωct+θ)×cos(ωct+φ) ={Ao(1+m)/2}×{cos(2ωct+θ+φ)+cos(θ-φ)}
2ωcの成分をLPF(低域ろ波器)8で取り除くと、LPF8の出力である復調出力データb(t)は次式になる。
【数3】
b(t)={Ao(1+m)/2}×cos(θ-φ)
出力データとしては、データ“1”のときの出力振幅とデータ“0”のときの出力振幅の差Dが大きければ、コンパレータ10で検出しやすい。そこで上記の出力振幅差Dを求めると以下の式になる。
【数4】
D=(Ao/2)×cos(-φ)-{Ao(1+mo)/2}×cos(θo-φ)
この式から明らかなように、移相器6の移相量φを変化させると、振幅差Dが変化することがわかる。すなわち、最大のDの値が得られる移相量φを移相器6で設定すれば効率の良いデータ復調装置が得られることになる。
【0010】
以下に、(数4)を用いて具体的な値を計算してみる。(数4)で搬送波振幅Ao=2と仮定する。moやθoの値は、図6の非接触ICカードのコイルアンテナと並列のコンデンサCによる並列共振回路のQや、並列に挿入されるコンデンサC1、C2の値により定まる。いまmo=-0.1 とすると、出力振幅差Dは以下の式になる。
【数5】
D=cos(φ)-0.9cos(θo-φ)
このデータ“1”のときの振幅とデータ“0”のときの出力振幅の差Dは、コンパレータ10の入力でのデータ出力振幅に相当するので、この値が大きいとコンパレータ10でデータ“1”かデータ“0”かの識別がしやすくなる。そこで(数5)のDの値を、θoが90°、30°、0°の場合に、φを変化させて計算してみると図2、図3、図4となる。これからまず、図2のθoが90°の場合には、移相器6での移相量φを0°から360°まで変化させると、出力振幅差Dは図に示すように変化する。最大値は移相量が318°の場合で1.345となる。一方、移相器6で位相を移相しない場合、すなわち従来方式と同様のφ=0°のときの出力振幅差Dは、図2から1である。従って、移相器6で位相を318°移相させると出力振幅差Dを1.345倍にすることができることを示している。
【0011】
図3はθoが30°の場合である。図2と同様に移相器6での移相量φを0°から360°まで変化させると、出力振幅差Dの最大値は移相量が296°のときで0.501であることがわかる。移相量φが0°の場合の出力振幅差Dは0.22であるので、2倍以上の出力振幅差が得られている。また、図4はθoが0°の場合である。これは位相の変化がないことを意味する。この場合は、移相器6での移相量φも0°のときが最大の出力振幅差Dが得られているが、その値は0.1ときわめて小さいことがわかる。
【0012】
以上の図2、3、4の結果より、ロードスイッチ方式で、搬送波が振幅変化のみしかない場合は、本発明の方法を用いても効果はないが、振幅変化とともに位相変化をもともなうときは、本発明により著しい効果があることがわかる。図6に示したような、非接触ICカードでのデータ伝送に、コイルアンテナに並列に挿入されるコンデンサの値を変化させるロードスイッチ方式を用いた場合は、振幅変化と位相変化の両方の変化が搬送波にあるので、本発明の復調方法はきわめて有効である。
【0013】
【発明の効果】
本発明により、振幅変調における振幅変化分以上の復調出力振幅がえられるので以下の効果がある。
(1)RWUのコイルアンテナのC/N比が小さくても良好な受信が行える。
(2)RWUと非接触ICカードの距離が離れてもデータの伝送ができるので非接触ICカードのサービスエリアを広くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に成る非接触ICカードシステムのリーダライタユニットの構成例を示す図である。
【図2】θが90°の場合の搬送波の位相を0°から360°まで移相したときのデータの出力振幅差を示す図である。
【図3】θが30°の場合の搬送波の位相を0°から360°まで移相したときのデータの出力振幅差を示す図である。
【図4】θが0°の場合の搬送波の位相を0°から360°まで移相したときのデータの出力振幅差を示す図である。
【図5】従来方式のリーダライタユニットの構成図である。
【図6】非接触ICカードの構成図である。
【符号の説明】
1 RWUのコイルアンテナ
2 結合器
3 パワーアンプ
4 変調器
5 搬送波発振器
6 移相器
7 掛け算器
8 LPF(低域ろ波器)
9 アンプ
10 コンパレータ
11 整形器
Claims (1)
- リーダライタユニットとそのリーダライタユニットより電磁結合で電力を供給される非接触ICカードからなる非接触ICカードシステムであって、
非接触ICカードでは、そのアンテナ負荷を送信データに応じて可変する事により、リーダライタユニットからみた負荷の変化に少なくとも位相変化が生じるようにしてデータを送信し、
リーダライタユニットでは、前記データを受信し、データが1のときの出力振幅とデータが0のときの出力振幅の差が最大になるような移相量を予め求め、該移相量を変化させた搬送波を用いて復調することを特徴とする非接触ICカードシステム。
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