JP4310046B2 - トランスミッタ及びデータ送信方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本願発明はデータ送信のためのトランスミッタと送信方法とに関する。
【0002】
本願発明は主としてデータキャリアシステムあるいは無線周波識別(RFID:radio frequency identification)分野のために開発された。特に、1体のアンテナを備えたトランスポンダへのデータ送信方法に関しており、その適用を通じて本願発明を解説する。本願発明は高速データ通信が望まれる受動トランスポンダ(passive transponder)に適用されると特にメリットが大きい。
【0003】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
今日まで高速データは励起界(excitation field)のモジュレーション(modulation)によってRFIDトランスポンダに送信されてきた。一般的に、励起界の100%深度振幅モジュレーション(100% depth amplitude modulation)でのパルスポジションモジュレーション(pulse position modulation)が利用されている。この励起界は短インターバルでターンオフ(turn off)され、トランスポンダ処理回路で検出される。パワー伝達を維持しながら高データ速度(high data rate)を達成するには、そのインターバルは短く、使用率(duty cycle)は少ないものでなくてはならない。典型的には、10%の使用率が利用され、インターバルは1μ秒であり、インターバル間の平均時間は10μ秒である。このような短インターバルはワイドバンド幅を有している。従って、インテロゲータとトランスポンダは両方ともデータの送受信のために低Qファクター(low Q factor)のワイドバンド幅アンテナを必要とする。低Qファクターアンテナはエネルギー効率が悪く、よって、インテロゲータアンテナは高Qファクターアンテナよりもパワーを多く消費する。加えて、受動トランスポンダに対しては、効率の悪いアンテナを補完するためにさらに強力な励起界が必要である。
【0004】
加えて、電磁波放射強度を規制する規則は使用可能な励起界の強度とバンド幅の上限とを設定している。従来型パルスのモジュレーションデータのワイドバンド幅は最大励起界強度に対して上限を課している。
【0005】
よって、本願発明の1目的は、少なくともその好適実施態様において、それら従来技術の弱点の少なくとも1つを克服するか、あるいは実質的に改善させることである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本願発明の1つの態様によれば、第1アンテナからデータを送信する方法が提供される。この方法は、キャリア信号を提供するステップと、データ信号に従ってそのキャリア信号に低レベルフェーズモジュレーション(low level phase modulation)を課し、モジュレートされた信号を発生させるステップと、送信のためにそのモジュレートされた信号を第1アンテナに提供するステップと、を含んでいる。
【0007】
本願発明の別の態様によればトランスミッタが提供される。このトランスミッタは、第1アンテナと、キャリア信号を提供するためのオシレータ手段(oscillator means)と、データ信号に従ってそのキャリア信号に低レベルフェースモジュレーションを課し、モジュレートされた信号を発生させるミクシング手段(mixing means)と、を含んでおり、そのミクシング手段は送信するためにそのモジュレートされた信号を第1アンテナに提供する。
【0008】
好適には、そのモジュレートされた信号は第2アンテナによって受信される。そのアンテナは、その信号に応じて第1信号を発生し、受信手段に提供する。その受信手段は、そのデータ信号を表す第2信号を引き出す。さらに好適には、その第1信号はその受信手段にパワーを供給するように利用される。
【0009】
好適形態においては、そのモジュレートされた信号は、キャリア信号と、そのデータ信号でモジュレートされた減衰直交キャリア信号(attenuated quadrature carrier signal)との合体信号を含む。
【0010】
この形態のモジュレーションはフェーズジッタモジュレーション(PJM:phase jitter modulation)として説明されている。
【0011】
好適形態においては、そのアンテナはチューニング式コイルである。好適には、第1アンテナと第2アンテナはそれぞれ高Qファクターを有している。
【0012】
本願発明の別態様によれば、前述のごときトランスミッタを含んだ識別システムが提供される。好適には、このシステムは荷物識別用である。
【0013】
【発明の実施の形態】
従来技術及び本願発明の実施例を添付図面を利用して解説する。
【0014】
単アンテナを備えた受動RFIDトランスポンダは励起界を使用してインテロゲータによってインテロゲートされる。この励起界はトランスポンダのアンテナで受信され、アンテナに誘導された電圧は整流(rectify)され、トランスポンダへのパワー供給に使用される。トランスポンダがインテロゲータからのデータを受信することが必要である場合が多い。単アンテナ式トランスポンダにおいては、受信メッセージは、トランスポンダにパワーを供給する励起信号を受信するアンテナによって受信されなければならない。従来システムにおいては、励起信号は振幅がモジュレート処理され、インテロゲータからトランスポンダへとメッセージを伝達する。
【0015】
図1はアンテナLがキャパシタCによってチューニングされ、データが振幅モジュレーション処理によってトランスポンダに送信される従来技術のトランスポンダを図示している。トランスポンダのアンテナコイルに誘導される電圧V1はアンテナのチューニングによって増幅され、整流器で整流され、トランスポンダの電子回路で使用されるようにDC保存キャパシタCdcに保存される。アンテナ電圧は、エンベロープ電圧V2を提供するために、ダイオードエンベロープ検出器(diode envelope detector)D1、C1及びR1によって検出されるピークレベルである。
【0016】
図2(a)と図2(b)は図1の従来技術回路に関連する波形を示している。特に、図2(a)は振幅インターバルを備えた励起電圧V1を示しており、パルスポジションモジュレーションを提供する。最大パワーをトランスポンダに伝達するため、典型的には10:1である低使用率が利用される。図2(b)はアンテナに誘導された電圧V2のエンベロープを示している。アンテナの過渡レスポンス(transient response)はV2に対して有限の上昇および下降時間を提供する。アンテナのその過渡時間は狭パルスを大きく変形させずに通過させるように充分に短いものでなければならない。アンテナの過渡レスポンス時間係数Tsとバンド幅BWはTs=1/(BW.π)の関係にある。従って、短パルスを通過させるため、アンテナのバンド幅は広くなければならない。例えば、1μ秒のパルスを通過させるには、少なくとも1MHzであるバンド幅が必要である。
【0017】
図3(a)から図3(c)は図1の従来技術回路に関連する周波数スペクトルである。図3(a)は典型的なデータスペクトルを示す。100kbpsでのデータに対して、周波数スペクトルの最初の振幅0は100kHzで発生する。図3(b)は、狭低使用率パルスが使用されているパルスポジションモジュレーションPPMとしてエンコードされた場合のデータスペクトルを示す。このタイプのエンコード処理に対するスペクトルはオリジナルのデータスペクトルよりもずっと幅広い。10:1の使用率の1μ秒パルスに対しては、周波数スペクトルの最初の振幅0は1MHzで発生する。図3(c)は、そのスペクトルが図3(b)において示されているPPM信号でモジュレートされた励起信号のスペクトルを示す。このモジュレートされたスペクトルはダブルサイド型(double side)であり、10:1使用率の1μ秒パルスに対しては、主スペクトルローブの幅は2MHzである。明らかに、PPMモジュレートされた励起信号のバンド幅はオリジナルデータスペクトルよりもずと幅広い。
【0018】
本来的に幅広いバンドであるPPM励起信号を通過させるため、インテロゲータとトランスポンダのアンテナは両方とも広バンド幅を有していなければならない。従って、インテロゲータとトランスポンダのアンテナは低Qを有しており、効率が低い。インテロゲータにおいて、100%振幅モジュレートされたPPMの発生には、各パルスに対して励起信号が完全にクエンチ(quench)されなければならない。これには広バンド低効率アンテナが必要となる。狭バンドアンテナは高効率で作動するが、狭振幅パルスのPPMには対応できない。同様に、モジュレートされた励起信号を通過させるためにトランスポンダアンテナのバンド幅は充分に広くなければならない。幅広バンドアンテナは本質的に低Qであり、励起界からのエネルギー収集性能が低い。
【0019】
本願発明のこの好適実施例において、データはモジュレートされた直交成分を含んだ低レベル信号として提供される。最好適には、このモジュレート処理はフェーズモジュレーションである。振幅モジュレーションであっても構わない。本実施例においては、低レベル信号は励起界での小フェーズジッタ(tiny phase jitter)として現われる。励起界の振幅には変更が起こらず、よって、トランスポンダへのパワー伝達には影響が及ばない。この形態のモジュレーションはフェーズジッタモジュレーションまたは略してPJMと呼称される。
【0020】
小型のモジュレートされたフェーズシフトを発生させる多くの方法が存在する。例えば、信号を、RCまたは同調回路等のフェーズシフターまたは可変長ディレイライン(variable length delay line)を通過させる。
【0021】
本実施例においては、インテロゲータで信号を発生させるため、励起信号の小部分は90°フェーズシフトされ、直交信号が提供される。これは次に、トランスポンダに伝達される前にデータ信号でPRKモジュレート処理され、オリジナル励起信号に戻される。得られた信号を振幅限定処理して残留振幅成分を除去することができる。トランスポンダで、励起におけるこれら小フェーズシフトは対応してアンテナ電圧フェーズシフトを誘導する。それらシフトは回路インピーダンスまたはトランスポンダのアンテナに接続されたパワーレギュレーション回路で変更されない。
【0022】
図4(a)は、励起信号Fc及びモジュレートされた直交信号PRKのフェーザ図である。それぞれの信号の振幅はそのフェーザ長で提供される。そのモジュレートされた直交信号によって引き起こされたフェーズ偏差(phase deviation)THETAは、低レベル信号に対して非常に小さく、
THETA=arctan(2xMag(PRK)/Mag(Fc))
で与えられる。
【0023】
40dBの減衰PRK信号に対しては、THETA=1.2°であり、60dBの減衰PRK信号に対しては、THETA=0.12°である。これらの両方は励起信号の非常に小さなフェーズ偏差である。
【0024】
フェーズ直交モジュレーションは、励起信号に関して固定されたフェーズの局所オシレータ(LO:local oscillator)信号を使用してリカバーされ、モジュレートされたデータをミキサーまたはマルチプライヤのベースバンドにダウンコンバートさせる。トランスポンダにおいては、LO信号はモジュレートされた励起信号から引き出されなければならない。LO信号をモジュレートされた励起信号から抽出する好適方法はトランスポンダでフェーズロックループ(phase locked loop)PLLを使用し、LO信号を発生させる。そのLO信号は低ループバンド幅PLLで発生され、オリジナル励起信号フェーズにロックされるが、高速モジュレートされたフェーズシフトを追尾(track)することはできない。直交データ信号はダウンコンバートされ、LO信号で駆動されるミキサーまたはマルチプライア内で検出される。PLLで使用されるフェーズ検出器のタイプ及び回路の伝播ディレイ(propagation delay)によって、励起信号に関するLOフェーズは0°から360°の範囲で変動する。PLLに従来式XORフェーズ検出器が使用されると、PLLオシレータの出力は励起信号に対して90°程度となり、データモジュレートされたフェーズ直交信号とフェーズ同調状態(in phase)となろう。LOと励起信号との間の90°フェーズは直交フェーズモジュレーションの効果的な検出には必要ではない。XORミキサーは電圧コンバージョン特性に対して0°から180°及び180°から360°のリニアフェーズ(linear phase)を有している。ゲインサインの変更が発生する0°及び180°周辺を除いてフェーズアングルには無関係に同一の出力振幅が提供される。
【0025】
ミキサーからの平均出力電圧DCレベルはその出力間の平均フェーズ差の関数である。平均出力が中央付近であることが回路オペレーションにとってさらに便利であり、よって、90°あたりのフェーズアングルのLOがさらに便利である。そのLO信号のフェーズは固定フェーズディレイ要素(fixed phase delay element)を使用して簡単に調整できる。よって、0°または180°フェーズ検出器が使用可能であり、さらに約90°のフェーズシフトが固定ディレイ要素で達成できる。
【0026】
図4(b)は、モジュレートされた励起信号と、データ信号のモジュレーションに使用されるトランスポンダの直交局部オシレータ信号のフェーザ図である。局部オシレータ信号フェーズ(local oscillator signal phase)は励起信号フェーズに関して90°にある。
【0027】
フェーズモジュレーションに対しては、データバンド幅はせいぜいがオリジナルのダブルサイドデータバンド幅である。減衰されると、モジュレートされたデータスペクトルのレベルは励起信号振幅に関して非常に低くなり、規制エミッションリミット(regulatory emission limit)への一致を従来のものより大きく容易化する。
【0028】
図5(a)から図5(c)にかけては本願発明のオペレーションを説明する代表的な周波数スペクトルである。特に、図5(a)は典型的なデータスペクトルである。100kbpsでのデータに対して、周波数スペクトルの最初の0は100kHzで発生する。図5(b)は、励起信号の直交バージョンにモジュレートされたときのデータの代表的な周波数スペクトルである。このタイプのモジュレーションスペクトルはオリジナルデータスペクトルのダブルサイドスペクトルと同じである。本願発明においては、モジュレートされた直交信号は減衰され、オリジナル励起信号に加えられる。図5(c)は励起信号Fcと、図5(b)でそのスペクトルを示す減衰モジュレートされた直交信号との合体スペクトルを示す。この減衰レベルは励起信号の振幅とデータサイドバンドの振幅との差で提供される。
【0029】
送信された励起信号のスペクトルはオリジナルのダブルサイドデータスペクトルと同じであるため、狭バンド高Qのインテロゲータとトランスポンダのアンテナはモジュレートされた励起信号の送受信にそれぞれ利用される。従って、インテロゲータの励起アンテナは高周波数で作動し、同様にトランスポンダのアンテナは高周波数でエネルギーを受け取る。他の実施例では低Qアンテナで実施される。
【0030】
図6(a)と図6(b)は本願発明のモジュレーションとデモジュレーションの方法を示す。図6(a)の主励起信号部分は90°フェーズシフトされ、直交信号を発生させている。次に直交信号はデータでモジュレートされる。好適形態のモジュレーションはフェーズリバースキーイング(phase reverse keying)PRKである。PRKモジュレートされた直交信号は減衰され、主励起信号に戻される。特定の順序で示されているが、フェーズシフト、モジュレーション及び減衰の順番を変えてもよい。このモジュレーション方法は励起信号に対して低レベルデータサイドバンドを発生させる。そこではサイドバンドは励起信号に対して直交(in phase quadrature)である。そのデータ信号は励起信号に対して低振幅フェーズジッタとして現われる。実施例によってはその信号はさらに振幅制限され、残留振幅成分が除去される。
【0031】
図6(b)は励起信号に対してモジュレートされたデータのデモジュレーション方法を示す。LO信号は低ループバンド幅フェーズロックループ(low loop bandwidth phase lock loop)PLLで発生される。そのPLLは励起信号フェーズにロック(lock)され、データモジュレーションで引き起こされる高速フェーズジッタには対応できない。標準PLLフェーズ検出器に対しては、PLLオシレータは励起信号フェーズに関して固定フェーズでロックするであろう。次にこのオシレータ信号はLOとして使用され、マルチプライアの直交サイドバンドデータ信号をデモジュレートする。低パスフィルタLPFは高周波ミキサープロダクトをフィルタ除去し、デモジュレートされたデータ信号を通過させる。
【0032】
図7は送信のためのデータ信号のデコード処理の回路例である。励起基準ソースFcは90°スプリッタで分割される。スプリッタからの1つの出力はミキサーのLOポートに供給される。データはミキサーのIFポートに供給され、LOポート信号のPRKモジュレーションを引き起こす。RFポートでのミキサー出力はPRKモジュレートされた直交信号である。これは減衰され、0°コンバイナで基準に再び加えられ、トランスポンダへの送信の準備が完了する。
【0033】
図8はトランスポンダのデータ信号のデコーディング回路の例である。トランスポンダアンテナ電圧はシュミットトリガー(schmitt trigger)によってスクエアアップ(square up)され、その出力はタイプ3のPLLを供給する。タイプ3フェーズ検出器は能動エッジトリガーされたセクエンスフェーズ検出器(sequence phase detector)であり、PLLオシレータを入力フェーズに対して180°でロックさせる。低ループバンド幅で、入力信号においてこのPLLは容易にサイドバンドをフィルターオフ処理(filter off)できる。シュミットの出力は、入力信号に固定ディレイを加えるようにデザインされた一連のインバータを通過する。このディレイは、ディレイ連鎖(delay chain)からの出力のフェーズがLOに対して0°あるいは180°とならないように選択される。好適なフェーズ値は回路の利便性のためには90°である。VCOの出力はLoとして作用し、フェーズジッタモジュレートされたデータをディモジュレートする。このデータは専用ORゲートでデモジュレートされ、その出力は低パスフィルター処理され、フロートコンパレータ(floating comparator)で検出される。
【0034】
以上、本願発明を実施例で解説したが、それらに変更及び改良が可能であることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、従来技術のトランスポンダ回路の概略図である。
【図2】図2は、図1の回路に関連する代表的な波形を示す。
【図3】図3(a)から図3(c)は、図1の回路の波形に関連する周波数スペクトル(frequency spectra)である。
【図4】図4(a)と図4(b)は、本願発明に従って発生された波形に対するフェーザ図(phasor diagram)である。
【図5】図5(a)から図5(c)は、本願発明に関連する周波数スペクトルである。
【図6】図6(a)と図6(b)は、本願発明に従ったエンコーディングとデコーディングの方法を図示している。
【図7】図7は、送信のための好適なデータ信号エンコーディング回路の概略図である。
【図8】図8はトランスポンダのデータ信号のデコーディングのための好適回路の概略図である。
Claims (28)
- 第1アンテナからRFIDに対してデータを送信する方法であって、
(a)前記RFIDにパワーを供給するためのキャリア信号を生成するステップと、
(b)前記キャリア信号に、データ信号に応じた位相偏差を与えて変調を施し、変調された信号を生成するステップと、
(c)前記第1アンテナに、変調された信号を提供するステップと、
を備え、
前記変調された信号は、その同相成分として前記キャリア信号を含み、その直交成分が前記データ信号に応じたものとなっており、前記直交成分の振幅は、前記同相成分の振幅よりも小さいことを特徴とする方法。 - 第1アンテナからRFIDに対してデータを送信する方法であって、
前記RFIDにパワーを供給するためのキャリア信号を生成するステップと、
前記キャリア信号の位相を90度シフトさせるステップと、
位相シフト後の前記キャリア信号をデータ信号に応じて変調し、被変調直交信号を生成するステップと、
前記被変調直交信号を減衰させるステップと、
減衰された前記被変調直交信号と位相シフト前の前記キャリア信号を合成し、変調された信号を発生するステップと、
前記第1アンテナに、前記変調された信号を提供するステップと、
を備えることを特徴とする方法。 - 第1アンテナからRFIDに対してデータを送信する方法であって、
前記RFIDにパワーを供給するためのキャリア信号を生成するステップと、
前記キャリア信号の位相を90度シフトさせるステップと、
位相シフト後の前記キャリア信号を減衰させるステップと、
減衰された前記位相シフト後の前記キャリア信号を、データ信号に応じて変調し、被変調直交信号を生成するステップと、
前記被変調直交信号と位相シフト前の前記キャリア信号を合成し、変調された信号を発生するステップと、
前記第1アンテナに、前記変調された信号を提供するステップと、
を備えることを特徴とする方法。 - 前記変調された信号は、前記アンテナから送信された励起界の位相ジッタとして表れることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の方法。
- 前記キャリア信号をFc、前記変調された信号の直交成分をPRKと書くとき、
前記位相偏差は等式
THETA=arctan(2×Mag(PRK)/Mag(Fc))
で与えられることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の方法。 - 前記変調された信号を生成するステップは、前記キャリア信号の一部を90度位相シフトして第1信号を発生するステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記変調された信号を生成するステップにおいて、前記第1信号は前記データ信号に応じてPRK変調されることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記データ信号に応じて、前記キャリア信号の位相を変化させる位相シフターを制御し、位相変調のための位相偏差を変化させることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記位相シフターはディレーラインであることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記位相シフターは同調回路であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記位相シフターはRC回路であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記変調された信号は、そのサイドバンドを構成する直交成分が、前記キャリア信号の強度より-40dBから-60dB下回ることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の方法。
- 請求項1に記載のデータを送信する方法に加えて、
第2アンテナで前記変調された信号を受信し、前記データ信号を表す第2信号を発生させることをさらに含んでいることを特徴とする通信方法。 - 前記第2信号は受信手段にパワーを供給するのに使用されることを特徴とする請求項13記載の通信方法。
- RFIDをインテロゲートするように設計された装置であって、
第1アンテナと、
前記RFIDにパワーを供給するためのキャリア信号を生成するオシレータ手段と、
前記キャリア信号に、データ信号に応じた位相偏差を与えて変調を施し、変調された信号を生成し、前記第1アンテナに提供する変調手段と、
を備え、
前記変調手段は、前記変調された信号の同相成分が前記キャリア信号であり、前記変調された信号の直交成分が前記データ信号に応じており、前記直交成分の振幅は、前記同相成分の振幅よりも小さくなるように、変調することを特徴とする装置。 - RFIDをインテロゲートするように設計された装置であって、
第1アンテナと、
前記RFIDにパワーを供給するためのキャリア信号を生成するオシレータ手段と、
前記キャリア信号の位相を90度シフトさせる移相手段と、
位相シフト後の前記キャリア信号をデータ信号に応じて変調し、被変調直交信号を生成する変調器と、
前記被変調直交信号を減衰させる減衰手段と、
減衰された前記被変調直交信号と位相シフト前の前記キャリア信号を合成し、変調された信号を発生し、前記第1アンテナに、前記変調された信号を提供する合成手段と、
を備えることを特徴とする装置。 - RFIDをインテロゲートするように設計された装置であって、
第1アンテナと、
前記RFIDにパワーを供給するためのキャリア信号を生成するオシレータ手段と、
前記キャリア信号の位相を90度シフトさせる移相手段と、
位相シフト後の前記キャリア信号を減衰させる減衰手段と、
減衰された前記位相シフト後の前記キャリア信号を、データ信号に応じて変調し、被変調直交信号を生成する変調器と、
前記被変調直交信号と位相シフト前の前記キャリア信号を合成し、変調された信号を発生し、前記第1アンテナに、前記変調された信号を提供する合成手段と、
を備えることを特徴とする装置。 - 前記変調された信号は、キャリア信号と、前記データ信号で変調された減衰直交キャリア信号との合計を含んでいることを特徴とする請求項15に記載の装置。
- 前記第1アンテナは同調可能なコイルであることを特徴とする請求項15から17のいずれかに記載の装置。
- 前記変調手段は、前記データ信号によって前記キャリア信号の位相を変化させて、位相変調のための位相偏差を変化させる位相シフターであることを特徴とする請求項15に記載の装置。
- 前記位相シフターはディレーラインであることを特徴とする請求項20に記載の装置。
- 前記位相シフターは同調回路であることを特徴とする請求項20に記載の装置。
- 前記位相シフターはRC回路であることを特徴とする請求項20に記載の装置。
- 前記変調された信号は、そのサイドバンドを構成する直交成分が、前記キャリア信号の強度を-40dBから-60dB下回るように発生されることを特徴とする請求項15に記載の装置。
- 請求項15乃至請求項24のいずれか1項に記載の装置でインテロゲートされるように設計されたRFIDであって、
前記RFIDは、
第2アンテナと、
前記変調された信号の受信に応答して前記第2アンテナが発生する第1信号から、前記データ信号を示す第2信号を導くように設計された受信手段と、
を含んで構成されることを特徴とするRFID。 - 前記第1信号は前記受信手段にパワーを供給するのに利用されることを特徴とする請求項25に記載のRFID。
- 請求項15乃至請求項24のいずれか1項に記載の装置を含んだ識別システム。
- 識別ラゲージ用の請求項27に記載のシステム。
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