JP4254666B2

JP4254666B2 - タグリーダ

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Publication number: JP4254666B2
Application number: JP2004257136A
Authority: JP
Inventors: 昌宏滝口
Original assignee: Denso Wave Inc
Current assignee: Denso Wave Inc
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2024-09-03
Also published as: US7469127B2; US20060049918A1; JP2006074579A

Description

本発明は、非接触通信タグに搬送波を送信し、その搬送波が前記非接触通信タグによって変調されることで生成される応答信号を受信して復調するタグリーダに関する。

非接触通信タグシステムは、タグリーダ（若しくはリーダライタ）側が送信する搬送波信号によってＲＦタグなどの非接触通信タグに動作電力を供給しながら、タグリーダと非接触通信タグとが無線通信を行うようになっている。近年、両者間の通信距離をより長くしたいというニーズが高くなっているため、タグリーダ側の搬送波出力の向上や、受信感度の向上などが望まれている。

例えば、タグリーダの復調回路としては、従来、回路構成が簡単である包絡線検波方式が主に採用されていたが、受信感度の向上を図るため、同期検波方式が採用されるようになってきている。ところが、タグリーダが搬送波を高いレベルで出力すると、それに伴いアンテナを介して受信する信号のレベルも上昇するため、同期検波方式を採用した場合は、同期検波回路で演算処理可能な電圧範囲に受信信号レベルを制限しなければならない。

ここで、特許文献１には、復調後のベースバンド信号を受信するアンプについて、タグからの応答信号を十分増幅できるようにゲインを上げると、質問器（タグリーダ）が質問信号を送信する場合に受信アンプが飽和することを回避するため、（応答信号の受信時以外である）質問信号の送信時にはスイッチを閉じておき、減衰器（抵抗素子）を有効にする技術が開示されている。

この従来技術を、上記の問題を解決するために適用することを想定すると、図９に示すような構成となる。タグリーダ（質問器）１の制御回路２は、送信回路３及びアンテナ４を介してタグ５に搬送波を送信する。すると、タグ５は給電されて動作し、搬送波を負荷変調することで応答する。また、タグリーダ１は、タグ５からの応答信号を常時減衰器６を介して受信するようにして、受信回路７により復調して制御回路２に出力する。即ち、搬送波信号の最大振幅の大きさが問題であるから、受信側の減衰器６は常に有効とする必要がある。
特開平１１−２９８３６６号公報

しかしながら、図９のような構成を採用すると、受信信号に含まれる搬送波成分のレベルが低下すると同時に非接触通信タグの応答信号成分も低下してしまうため（図１０（ａ）参照）、その分だけ受信感度が低下することになる。尚、図１０（ａ）に示す波形は、一例としてサブキャリアを用いた負荷変調方式の通信タイプに対応するものである。また、図１０（ｂ）には、図１０（ａ）に対応する受信信号の周波数スペクトラムを示す。従って、受信感度低下の影響により、通信距離を長くする効果を十分に得ることができないという問題があった。特に、タグリーダを小型に構成するため受信回路をＩＣ化する場合は、許容電圧範囲が小さくなることから減衰率をより大きくする必要があり、受信感度の低下が著しくなってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、受信信号に含まれている搬送波成分だけを選択的に減衰させることができるタグリーダを提供することにある。

同期検波方式を採用するタグリーダの場合、受信信号に搬送波信号を乗算するので受信信号振幅を十分に制限する必要がある。そこで、請求項１乃至３記載のタグリーダは、受信側に、応答波に含まれる前記搬送波の成分に対する第１の増幅率に対して、応答信号の成分に対する第２の増幅率が大きくなるように設定された非線形増幅手段を具える。即ち、斯様な増幅動作は、専ら受信信号に含まれている搬送波成分を減衰させて、非接触通信タグによる応答信号成分を、タグ応答の変調時の振幅以下の信号を減衰させることで応答信号の成分を減衰させない動作と実質的に等価となる。従って、受信信号波形が整形されることで、タグリーダの受信感度を低下させることなく搬送波成分を抑圧することができ、非接触通信タグとの通信距離をより長く設定することが可能となる。

請求項４記載のタグリーダによれば、非線形増幅手段における第１の増幅率を、所定の振幅以下の入力信号に対して実質的に出力振幅を発生しない「１」未満となる増幅率に設定し、第２の増幅率を、前記所定の振幅を超える入力信号に対しては「１」を超える増幅率に設定する。換言すれば、斯様な増幅手段は、前記所定の振幅以下の入力信号に対しては不感帯をもっている増幅手段と言うことができる。即ち、応答信号成分は、応答波の包絡線部分に含まれているので、第１，第２の増幅率を上記のように設定することで、応答信号成分に影響を与えることなしに搬送波成分を減衰させることができる。

（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１乃至図３を参照して説明する。図１は、非接触通信タグ及びリーダライタの構成を示す機能ブロック図である。リーダライタ（タグリーダ）１１は、マイクロコンピュータで構成される制御回路１２，送信回路１３，アンテナ（受信手段）１４，波形整形回路（非線形増幅手段）１５及び受信回路１６などで構成されている。

送信回路１３は、搬送波発生部１７，変調回路１８，出力回路１９によって構成されている。搬送波発生部１７が発生した搬送波信号は変調回路１８及び受信回路１６に供給されており、その搬送波信号は、変調回路１８において制御回路１２より出力される送信データに応じて変調される。被変調信号は、出力回路１９において増幅されると、アンテナ１４より電波信号として外部に送信される。

一方、アンテナ１４を介して受信した信号は、波形整形回路１５を介して受信回路１６に与えられる。受信回路１６は、ミキサ（同期検波手段）２０，フィルタ２１，アンプ２２及び二値化回路２３などで構成されている。ミキサ２０は、波形整形回路１５を介して与えられる受信信号と、送信回路１３より供給される搬送波信号とを乗算することで同期検波を行い、検波復調した信号をフィルタ２１及びアンプ２２を介して二値化回路２３に出力する。二値化回路２３は、アンプ２２より与えられる復調信号に基づいて［１，０］の二値化データを生成すると、制御回路１２に出力する。尚、以上の構成は、波形整形回路１５を除けば、一般的なリーダライタと変わるところはない。

ＲＦタグ（非接触通信タグ）２４は、アンテナ２５，コンデンサ２６，整流回路２７，復調部２８，制御回路２９，メモリ３０などで構成されている。ＲＦタグ２４は、リーダライタ１１に近づくことで、当該リーダライタ１１より送信された搬送波信号をアンテナ２５を介して受信すると、整流回路２７において搬送波信号を整流して動作用電源を生成し、マイクロコンピュータで構成される制御回路２９及びその他の構成要素に供給する。また、搬送波信号に重畳されているリーダライタ１１からの送信データは復調部２８によって復調され、制御回路２９に出力される。制御回路２９は、動作用電源が供給されて起動すると、リーダライタ１１からの送信データを受けてメモリ３０に記憶されているデータを読み出す。

アンテナ２５に対しては、抵抗３１及びスイッチ３２の直列回路がコンデンサ２６と共に並列接続されている。そして、制御回路２９は、読み出したデータに応じてスイッチ３１を開閉制御して、搬送波信号を負荷変調するようになっている。
図２は、波形整形回路１５の具体的な構成を示すものである。波形整形回路１５は、アノードが共通に接続されているダイオード３３及びツェナーダイオード３４の直列回路を、２組逆並列接続して構成されている。尚、受信信号極性の正側，負側に対応するものについて、符号の添え字を夫々「ｐ」，「ｍ」として示している。また、以下の説明において、正側，負側を特に区別する必要がない場合には、符号の添え字を省略する。

次に、本実施例の作用について図３も参照して説明する。リーダライタ１１の送信回路１３が搬送波信号を送信していれば、その搬送波信号は、常時波形整形回路１５を介して受信回路１６にも与えられることになる。そして、受信される搬送波信号の振幅レベルは、２０Ｖp-p（ピークトゥピーク）を超える場合もある。また、リーダライタ１１の受信回路１６をＩＣとして構成する場合、その動作電源は３Ｖ程度となるから、ミキサ２０に入力する受信信号の電圧範囲も３Ｖp-p以下に制限する必要がある。そこで、波形整形回路１５において受信信号の電圧波形を整形することで、上記条件を満たすように電圧範囲を制限する。

波形整形回路１５に入力される受信信号の極性が正である場合は、ダイオード３３ｐ及びツェナーダイオード３４ｐの直列回路側が通電され、受信信号の極性が負である場合は、ダイオード３３ｍ及びツェナーダイオード３４ｍの直列回路側が通電される。そして、夫々の場合、ダイオード３３の順方向電圧をＶF，ツェナーダイオード３４のツェナー電圧をＶZとすれば、受信信号の電圧波形より（ＶF＋ＶZ）分の電圧レベルを減じたものが、波形整形回路１５より出力されることになる。

図３は、図１０相当図である。図３（ａ）に示すように、受信信号の電圧振幅をＶR，受信回路１６の受信可能電圧範囲をＶTとすると、ツェナー電圧ＶZは、以下の関係を満たすように設定する。
（ＶF＋ＶZ）≦（ＶR−ＶT）／２
即ち、受信信号の極性に応じて、当該信号の電圧範囲より、受信回路１６の入力電圧許容範囲を減じた値の１／２以下に相当するレベルで搬送波成分を減衰させるようにする。例えばＶF＝０．７Ｖ，ＶR＝２０Ｖ，ＶT＝３Ｖであれば、ツェナー電圧ＶZは、
ＶZ≦（２０−３）／２−０．７＝７．８（Ｖ）
となるように設定すれば良い。すると、波形整形回路１５より出力される電圧波形は、受信信号電圧波形の包絡線に影響を及ぼすことなく、受信可能電圧範囲を超える搬送波成分の振幅を減衰させた波形となる。

尚、上述した減衰作用は、一方では増幅作用として見ることが可能である。即ち、受信信号の電圧波形より（ＶF＋ＶZ）分の電圧レベルを減じる作用は、ＲＦタグ２４により送信された応答波に含まれる搬送波成分に対して「１」未満の増幅率（第１の増幅率）で増幅を行うことに等しい。また、前記応答波に含まれる応答信号成分に対しては、増幅率「１」（第２の増幅率）で増幅を行うことに等しい。従って、波形整形回路１５を増幅手段として見れば、非線形な増幅作用を行っていることになる。

更に言えば、波形整形回路１５は、所定の振幅以下の入力信号に対しては出力信号としての振幅が発生しないような増幅率で増幅を行い、前記所定の振幅を超える入力信号に対しては、出力信号としての振幅が発生する増幅率で増幅を行っている、と見ることも可能である。この場合、増幅手段としては、前記所定の振幅以下の入力信号に対しては不感帯を有していることになる。

ここで、負荷変調によって波形振幅を変化させるような通信方式の場合、ＲＦタグ２４の応答動作により変調された応答信号成分は、受信信号波形の包絡線部分に含まれている。そして、図９に示すように受信信号を減衰器６によって一律に減衰させると、図１０に示すように、受信信号に含まれる応答信号成分のレベルも低下するようにその包絡線が変化することになる。これに対して、本実施例の構成では、波形整形回路１５によって受信信号に含まれている搬送波成分だけを選択的に減衰させるので、図３（ａ）に示すように受信信号波形の包絡線は変化せず、図３（ｂ）に示すように応答信号の周波数成分レベルはそのまま維持されている。

以上のように本実施例によれば、リーダライタ１１の受信回路１６に、受信信号の包絡線を変化させずに、専ら受信信号に含まれている搬送波成分を減衰させることで、ＲＦタグ２４による応答信号成分を減衰させないように動作する波形整形回路１５を設けた。従って、リーダライタ１１の受信感度を低下させることなく搬送波成分を選択的に抑圧することができ、ＲＦタグ２４との通信距離をより長く設定することが可能となる。そして、受信回路１６にミキサ２０を備えて同期検波を行うようにしたので、本発明を有効に適用して受信感度を向上させることができる。

また、波形整形回路１５を、アノードを共通に接続したダイオード３３及びツェナーダイオード３４の直列回路を２組逆並列接続して構成し、ツェナー電圧ＶZを調整することで、受信信号の極性に応じて、当該信号の電圧範囲より、受信回路１６の入力電圧許容範囲を減じた値の１／２以下に相当するレベルで搬送波成分を減衰させるようにした。従って、交流信号である受信信号の正半波，負半波夫々について、搬送波成分の振幅を受信可能電圧範囲を超える分だけ減衰させることができる。

（第２実施例）
図４は本発明の第２実施例を示すものであり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。第２実施例は、波形整形回路１５に替えて、図４に示す波形整形回路（非線形増幅手段）４１を用いる部分だけが第１実施例と相違している。波形整形回路４１の信号入力端子と信号出力端子との間には、コンデンサ（第１コンデンサ）４２ｐ，ダイオード４３ｐ，コンデンサ４４ｐ（第２コンデンサ）の直列回路が接続されている。そして、ダイオード４３ｐのアノードとグランドとの間には抵抗４５ｐ（第１抵抗）が接続され、ダイオード４３ｐのカソードと電圧Ｖ１を与える電圧源（波形整形用電圧源）４６との間には抵抗４７ｐ（第２抵抗）が接続されている。尚、コンデンサ４２ｐ，４４ｐは、電位安定用のカップリングコンデンサである。
以上は受信信号の正半波側に対応する回路であり、受信信号の負半波側に対応する回路は、上記と同様の構成を、ダイオード４３が逆方向となるようにして、信号入力端子と信号出力端子との間に並列に接続したものとなっている。

次に、第２実施例の作用について説明する。波形整形回路４１の信号入力端子に与えられる受信信号が正極性の場合、ダイオード４３ｐが導通する。すると、波形整形回路４１の信号出力端子の電位は、ダイオード４３ｐの順方向電圧ＶF分低下すると共に、更にカソード側の電圧源４６の電圧Ｖ１分低下する。また、受信信号が負極性の場合はダイオード４３ｍ側が導通することで、負半波側についても対称な減衰作用となる。ここで、電圧源４６の電圧Ｖ１は、第１実施例におけるツェナー電圧ＶZと同様にして決定すれば良い。そして、正側，負側の回路が同時に動作する結果、夫々の回路の出力電圧は信号出力端子において合成され、電圧振幅は１／２となる。

以上のように構成した第２実施例によれば、電圧原４６の電圧Ｖ１を適宜設定することで、受信信号波形に含まれている搬送波成分の減衰量（即ち、第１の増幅率）を適切に調整することができる。

（第３実施例）
図５は本発明の第３実施例を示すものであり、第２実施例と異なる部分についてのみ説明する。第３実施例の波形整形回路（非線形増幅手段）４８は、波形整形回路４１における抵抗４５ｐに対して並列に、アノードがグランド側となるようにダイオード４９ｐを接続し、また、抵抗４７ｍに対して並列に、カソードが電圧源４６側となるようにダイオード４９ｍを接続したものである。

次に、第３実施例の作用について説明する。例えば、波形整形回路４８の正側について見ると、ダイオード４９ｐのカソード電位が負側に振れた場合はダイオード４９ｐが導通するので、カソード電位は（グランドレベル＋ＶF）となる。即ち、入力信号波形は、（グランドレベル＋ＶF）が振幅の下限となるように正側にシフトされる。その際、入力信号振幅は、順方向電圧ＶF分だけ減衰する。また、ダイオード４９ｍは、アノード電位が正側に振れた場合に導通し、アノード電位は（Ｖ１＋ＶF）となる。その場合も、入力信号振幅の上限は順方向電圧ＶF分だけ減衰する。

そして、上記の作用に第２実施例の波形整形回路４１と同様の作用が加わるため、受信信号に含まれる搬送波成分を、その極性に応じて（ＶS＋２ＶF）分減衰させることができる。また、波形整形回路４８の場合、正側，負側の各回路における信号振幅は倍電圧回路的な動作によって第２実施例の場合に比較して約２倍となり、それらが信号出力端子において合成される。結果として、波形整形回路４８の出力電圧振幅は、波形整形回路４１に比較して２倍となる。

（第４実施例）
図６及び図７は本発明の第４実施例を示すものであり、第１実施例と異なる部分についてのみ説明する。第４実施例の波形整形回路（非線形増幅手段）５１は、プッシュプル接続されたＰＮＰトランジスタ５２ｐ，ＮＰＮトランジスタ５２ｍを出力段に配置して構成されている。トランジスタ５２ｐ，５２ｍのエミッタは、何れも抵抗５３ｐ，５３ｍを介して信号入力端子に接続されており、コレクタは信号出力端子に共通に接続されている。また、信号入力端子とトランジスタ５２ｐのベースとの間には、抵抗５４ｐ，ダイオード５５ｐの直列回路が接続されている。トランジスタ５２ｐのベースとグランドとの間には、抵抗５６ｐ及びコンデンサ５７ｐの並列回路が接続されている。一方、トランジスタ５２ｍ側についても、上記と略対称に構成される回路が接続されているが、ダイオード５５ｍの方向はダイオード５５ｐと逆になっている。

次に、第４実施例の作用について説明する。この波形整形回路５１では、ダイオード５５及びコンデンサ５７によってピークホールド回路５８を構成しており、入力信号電圧レベルをピークホールドするようになっている。例えば、正側に対応する回路において、トランジスタ５２ｐのベース電位（ピークホールド電圧）を検波電圧Ｖｐとし、抵抗５４ｐの端子電圧をＶRとすると、
Ｖｐ＝Ｖin−ＶR−ＶF
となる。そして、トランジスタ５２ｐのエミッタ電位は、検波電圧Ｖｐにベース−エミッタ間Ｖbeを加えたものとなるので、エミッタ抵抗５３ｐには、入力電圧Ｖinと、（Ｖｐ＋Ｖbe）との差に応じた電流が流れる。従って、信号出力端子であるトランジスタ５２ｐのコレクタには、（Ｖin−Ｖｐ−Ｖbe）を増幅した電圧が出力される。即ち、受信信号に含まれる搬送波成分は（Ｖｐ＋Ｖbe）だけ減衰される。

尚、負側の回路についても動作は対称であり、負側の入力電圧Ｖinに対して（ＶR＋ＶF）だけ上回る検波電圧Ｖｍがコンデンサ５７ｍによってピークホールドされ、トランジスタ５２ｍのエミッタ電位は、検波電圧ＶｍよりＶbeを減じたものとなるので、トランジスタ５２ｍのエミッタには、（Ｖin＋Ｖbe＋Ｖｐ）を増幅した電圧が出力される。
そして、トランジスタ５２の増幅作用の結果、応答信号によって搬送波が振幅変調されることで包絡線に落差がある部分は、その落差がより大きくなるように増幅されるため、図７（ａ）に示すように、入力信号に含まれているＲＦタグ２４の応答信号成分は増幅される（包絡線の変化分がより大きくなっている。つまり、第２の増幅率が「１」を超えていることになる）。即ち、図７（ｂ）に示すように、受信信号に含まれる搬送波信号成分のレベルが低下するのに対し、応答信号成分のレベルは上昇するようになる。

以上のように第４実施例によれば、波形整形回路５１は、正側，負側ピークホールド回路５８ｐ，５８ｍによって、入力信号電圧を所定レベルだけ減衰させると共に２つのトランジスタ５２ｐ，５２ｍのベース電位を、入力信号の極性に応じて夫々ピークホールドする。そして、出力段に配置されるトランジスタ５２ｐ，５２ｍは、ベース電位と、エミッタに抵抗５３ｐ，５３ｍを介して印加される受信信号電圧との差に応じて、ＲＦタグ２４の応答信号成分をなす受信信号の包絡線の変化分を増幅する。従って、受信信号に含まれる搬送波成分を、抵抗５４の端子電圧及びダイオード５５の順方向電圧分だけ減衰させると共に、応答信号成分を増幅することができる。

（第５実施例）
図８は本発明の第５実施例を示すものであり、第４実施例と異なる部分についてのみ説明する。第５実施例の波形整形回路（非線形増幅手段）６１は、第５実施例の波形整形回路５１における抵抗５４（ｐ，ｍ）をダイオード６２（ｐ，ｍ）に置き換え、ピークホールド回路６３（ｐ，ｍ）を構成したものである。第４実施例においては、抵抗５４の端子電圧ＶRは、当該抵抗５４を介して流れる電流に依存して変動する。これに対して、第５実施例の波形整形回路６１では、抵抗５４をダイオード６２に置き換えたことで、端子電圧ＶRは一定の順方向電圧ＶFとなる。従って、入力信号振幅が変化する場合でも、出力信号の振幅変化を抑制することができる。

本発明は上記し又は図面に記載した実施例に限定されるものではなく、以下のような変形が可能である。
第１実施例において、ダイオード３３及びツェナーダイオード３４を、カソードを共通に接続しても良い。
第４，第５実施例において、バイポーラトランジスタに替えてＦＥＴを使用しても良い。
変調方式は振幅変調に限ることなく、位相変調であっても良い。
リーダライタに限ることなく、データの読取り機能だけを備えたタグリーダに適用しても良い。

本発明の第１実施例であり、非接触通信タグ及びリーダライタの構成を示す機能ブロック図波形整形回路の具体的構成を示す図（ａ）は、波形整形回路の入力側と出力側とにおける受信信号波形を示す図、（ｂ）は（ａ）に対応する受信信号の周波数スペクトラムを示す図本発明の第２実施例を示す図２相当図本発明の第３実施例を示す図２相当図本発明の第４実施例を示す図２相当図図３相当図本発明の第５実施例を示す図２相当図従来技術を示す図１相当図図３相当図

符号の説明

図面中、１１はリーダライタ（タグリーダ）、１３は送信回路、１４はアンテナ（受信手段）、１５は波形整形回路（非線形増幅手段）、１６は受信回路、２０はミキサ（同期検波手段）、２４はＲＦタグ（非接触通信タグ）、４１は波形整形回路（非線形増幅手段）、４８は波形整形回路（非線形増幅手段）、５１は波形整形回路（非線形増幅手段）、６１は波形整形回路（非線形増幅手段）を示す。

Claims

非接触通信タグに搬送波を送信し、前記搬送波が前記非接触通信タグ内おいて応答信号により変調され、送信された前記搬送波の成分及び前記応答信号の成分を含む応答波を受信する受信手段と、送信した搬送波を混合して同期検波を行う同期検波手段とを具えたタグリーダにおいて、
前記応答波に含まれる前記搬送波の成分に対する第１の増幅率に対して、前記応答信号の成分に対する第２の増幅率が大きくなるように設定された非線形増幅手段を具え、
前記非線形増幅手段は、
プッシュプル接続されたＰＮＰトランジスタ，ＮＰＮトランジスタを出力段に配置し、前記トランジスタの各エミッタは、何れも抵抗を介して信号入力端子に接続され、前記トランジスタの各コレクタは信号出力端子に共通に接続され、
前記信号入力端子と前記トランジスタの各ベースとの間に接続されるピークホールド回路を備えて構成されており、
前記非線形増幅手段は、前記受信手段によって受信された応答波を増幅して前記同期検波手段に出力することを特徴とするタグリーダ。
前記ピークホールド回路は、
前記信号入力端子と前記ＰＮＰトランジスタのベースとの間に接続される抵抗及び順方向のダイオードの直列回路と、
前記信号入力端子と前記ＮＰＮトランジスタのベースとの間に接続される抵抗及び逆方向のダイオードの直列回路と、
前記トランジスタの各ベースとグランドとの間に接続される抵抗及びコンデンサの並列回路とで構成されることを特徴とする請求項１記載のタグリーダ。
前記ピークホールド回路は、
前記信号入力端子と前記ＰＮＰトランジスタのベースとの間に接続される２つの順方向ダイオードの直列回路と、
前記信号入力端子と前記ＮＰＮトランジスタのベースとの間に接続される２つの逆方向ダイオードの直列回路と、
前記トランジスタの各ベースとグランドとの間に接続される抵抗及びコンデンサの並列回路とで構成されることを特徴とする請求項１記載のタグリーダ。
前記非線形増幅手段が有する前記第１の増幅率は、所定の振幅以下の入力信号に対して実質的に出力振幅を発生しない「１」未満となる増幅率であり、前記第２の増幅率は、前記所定の振幅を超える入力信号に対しては「１」を超える増幅率であるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のタグリーダ。