JP4323536B2 - 無線タグリーダ - Google Patents

Description

この発明は、無線タグとの通信を行う無線タグリーダに関する。

ＲＦＩＤ（radio frequency identification）タグなどの無線タグおよび無線タグリーダの通信方式として、バックスキャッタ方式がある。このバックスキャッタ方式では、無線タグリーダが無線タグに対して無変調の電波を送信し、無線タグはこの電波を受信して動作用の直流電源に変換し、さらに無線タグは無線タグのアンテナのインピーダンスを変化させることにより、受信電波の反射と吸収を行う。無線タグリーダは、無線タグからの反射波を受信することにより、無線タグとのデータ通信を行う。つまり、無線タグリーダは、動作電源用の電波を送出しながら、無線タグからの電波を受信することになる。この動作は無線タグと無線タグリーダとの通信に特有のものである。

このような無線タグリーダには、他の無線タグリーダとの混信を避けるため、キャリアセンス機能が搭載される。キャリアセンス機能とは、無線タグリーダが送信する前に、一定時間、送信しようとする周波数（チャンネル）と同じ受信信号をスキャンして、他の無線タグリーダが通信していないかを調査する機能のことで、他の無線タグリーダが通信していないことが確認できれば、自局は通信を開始することができる。このキャリアセンスの実行時間および感度等は電波法で定められており、例えば日本の場合には、１Ｗまで出力可能な無線タグリーダに対して、−７４dBmのキャリアセンス感度が必要と定められている。

また、無線タグリーダの受信方式として、ダイレクトコンバージョン方式がしばしば用いられる。ダイレクトコンバージョン方式は、ローカル発信器の周波数を受信周波数とほぼ同一にして、中間周波数を用いずにベースバンド信号を生成するものとしてによく知られている。このダイレクトコンバージョン方式の無線タグリーダでも、同様にキャリアセンスが実行される。

一方、無線タグと同種のものとして複数の異なる変復調方式を持つ非接触型ＩＣカードがあり、その非接触型ＩＣカードと通信を行うリーダとして、通過帯域が互いに異なる複数のフィルタを設けてこれらフィルタを選択的に切替えて使用する非接触型ＩＣカードリーダライタが知られている（例えば特許文献１）。
特開２００３−９２５６１号公報

通常、無線タグリーダのキャリアセンス感度は無線タグとの通信時の受信感度よりも高い。このため、受信信号を増幅するための高周波増幅器を設け、その利得をキャリアセンス時に大きくするか、あるいは通常受信時には高周波増幅器を使用せずにキャリアセンス時のみ高周波増幅器を使用するようにして、キャリアセンス時の利得を大きくするのが一般的である。

しかしながら、この場合、キャリアセンス時に大きなレベルの信号が受信されると、その受信信号がベースバンドで飽和し易いという特性をもっている。例えば、他の無線タグリーダの送信周波数が自局とは異なるチャンネルであっても、その無線タグリーダから発せられる強い電波が自局に入力されると、受信信号がベースバンド部で飽和して歪んでしまい、そのため他局の通信速度に相当する周波数成分が自局のキャリアセンス帯域に落ち込み、不要にキャリアセンスしてしまうという問題が発生する。

上記特許文献１のように、通過帯域が互いに異なる複数のフィルタを複数設けてそれを選択的に切替えて使用するものもあるが、これは、互いに異なる周波数で応答する非接触型ＩＣカードに対して複数のフィルタを切替えているのみで、強い電波が入力された場合に誤ったキャリアセンスを行ってしまい、送信できなくなる。

この発明は、上記の事情を考慮したもので、その目的は、別チャンネルの周波数で通信する他の無線タグリーダから強い電波が入力された場合でも、誤ったキャリアセンスを防いで確実な送信が可能な信頼性にすぐれた無線タグリーダを提供することである。

請求項１に係る発明の無線タグリーダは、受信信号をキャリアセンス実行時に通常受信時よりも増幅する増幅手段と、この増幅手段から出力された受信信号をベースバンド信号に変換する変換手段と、この変換手段で変換されたベースバンド信号のうち当該無線タグリーダの通信速度に対応する周波数成分を阻止する第１フィルタと、当該無線タグリーダの送信前にその送信周波数と同じ周波数成分を前記第１フィルタを経たベースバンド信号から検出し検出無しの場合に当該無線タグリーダの送信を許容するキャリアセンスを実行するキャリアセンス手段と、を含む信号処理手段と、を備える。

この発明の無線タグリーダによれば、別チャンネルの周波数で通信する他の無線タグリーダから強い電波が入力された場合でも、誤ったキャリアセンスを防ぐことができる。これにより、確実な送信が可能となり、信頼性が向上する。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。通信方式としてダイレクトコンバージョン方式を採用した無線タグリーダの要部を図１に示している。
送受信用のアンテナ１に帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ；ＢＰＦ）２を介してサーキュレータ（方向性結合器）３が接続されている。帯域通過フィルタ２は、アンテナ１の受信信号（高周波信号）のうち、送受信用の予め定められた帯域の周波数成分を通す。この帯域通過フィルタ２を通った受信信号は、上記サーキュレータ３によって増幅・非増幅切替回路（増幅手段）４に導かれる。

増幅・非増幅切替回路４は、受信信号を信号処理部２０からの指令に応じて増幅または非増幅するもので、切替器（ＳＷ）５，６および高周波増幅器７からなる。このうち、切替器５は、帯域通過フィルタ２からの受信信号を切替器６および高周波増幅器７のいずれか一方に供給するもので、非キャリアセンス時（通常受信時）は高周波増幅器７を経ず直接切替器６に供給し、キャリアセンス時は高周波増幅器７を経て切替器６に供給する。高周波増幅器７は、切替器５から供給される受信信号を後述するキャリアセンス部３６のキャリアセンス感度に必要なレベルに増幅する。この高周波増幅器７で増幅された受信信号が切替器６に供給される。切替器６は、切替器５からの受信信号および高周波増幅器７からの受信信号のいずれか一方を選択的に出力するもので、非キャリアセンス時は切替器５からの受信信号を出力し、キャリアセンス時は高周波増幅器７からの受信信号を出力する。また、キャリアセンスの実行時に信号処理部２０からの指示に基づいて、受信信号を増幅するために切替器５，６を制御する切替手段を備えている。

増幅・非増幅切替回路４を経た受信信号は、周波数変換部（変換手段）１０に供給される。周波数変換部１０は、増幅・非増幅切替回路４から供給される受信信号をベースバンド信号に変換するもので、ミキサ１１，１５、および９０度位相シフト器１９などを有している。また、ベースバンド部２４は低域通過フィルタ（ローパスフィルタ；ＬＰＦ）１２，１６、低周波増幅器１３，１７、アナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器１４，１８などを有している。

上記ミキサ１１は、増幅・非増幅切替回路４からの受信信号と後述のローカル発振器２１から供給される高周波信号（受信信号とほぼ同一の周波数を有する）とを混合することにより、ローカル信号と同相成分（Ｉ成分）のベースバンド信号ＩＡを生成する。このベースバンド信号ＩＡが、低域通過フィルタ１２を通過し、かつ低周波増幅器１３で増幅された後、アナログ・ディジタル変換器１４でディジタル変換されて信号処理部２０に供給される。

上記９０度位相シフト器１９は、後述のローカル発振器２１から供給される高周波信号の位相を９０度変化させた信号を出力する。
上記ミキサ１５は、増幅・非増幅切替回路４からの受信信号と９０度位相シフト器１９から供給される高周波信号とを混合することにより、ローカル信号と直交成分（Ｑ成分）のベースバンド信号ＱＡを生成する。このベースバンド信号ＱＡが、低域通過フィルタ１６を通過し、かつ低周波増幅器１７で増幅された後、アナログ・ディジタル変換器１８でディジタル変換されて信号処理部２０に供給される。

ローカル発振器２１は、信号処理部２０の指令に応じて動作し、無線タグからの受信信号の周波数とほぼ同一の周波数の高周波信号（例えば９５３ＭｋHz）を発する。この高周波信号が、上記ミキサ１１、上記９０度位相シフト器１９、および変調器２２に供給される。変調器２２は、データ送信時にローカル発振器２１からの高周波信号をデータTxDに基づいて変調するとともに、非データ送信時にローカル発振器２１からの高周波信号を無変調のまま無線タグ用動作電源として出力する。この変調器２２の出力信号がパワーアンプ２３で電力増幅され、サーキュレータ３によって帯域通過フィルタ２側に導かれる。そして、帯域通過フィルタ２を通過した高周波信号がアンテナ1から送信される。

信号処理部２０は、主要な構成として、図２に示すように、ベースバンド部２４でＡ／Ｄ変換されたベースバンド信号ＩＢが供給される低域通過フィルタ（ＬＰＦ；第２フィルタ）３１、この低域通過フィルタ３１を経たベースバンド信号ＩＣが供給される帯域阻止フィルタ（ＢＰＦ；第１フィルタ）３２、ベースバンド部２４でＡ／Ｄ変換されたベースバンド信号ＱＢが供給される低域通過フィルタ（ＬＰＦ；第２フィルタ）３３、この低域通過フィルタ３３を経たベースバンド信号ＱＣが供給される帯域阻止フィルタ（ＢＰＦ；第１フィルタ）３４、上記低域通過フィルタ３１，３３を経たベースバンド信号ＩＣ，ＱＣが供給されるデータ復調部３５、および上記帯域阻止フィルタ３２，３４を経たベースバンド信号ＩＤ，ＱＤが供給されるキャリアセンス部３６、これらデータ復調部３５およびキャリアセンス部３６が接続された制御部４０などを備えている。帯域阻止フィルタ３２，３４はキャリアセンス実行時の専用フィルタである。

上記低域通過フィルタ３１，３３は、上記ベースバンド部２４で生成されたベースバンド信号ＩＢ，ＱＢのうち、当該無線タグリーダの通信速度（例えば４０kbps）に対応する周波数成分（例えば４０kHz）をそれぞれ通す。

上記帯域阻止フィルタ３２，３４は、低域通過フィルタ３１，３３を経たベースバンド信号ＩＣ，ＱＣのうち、当該無線タグリーダの通信速度に対応する周波数成分をそれぞれ阻止する。

データ復調部３５は、低域通過フィルタ３１，３３を経たベースバンド信号ＩＣ，ＱＣを復調して制御部４０に供給する。
キャリアセンス部３６は、当該無線タグリーダの送信前に、その送信周波数（例えば９５３ｋHz）と同じ周波数成分を帯域阻止フィルタ３２，３４を経たベースバンド信号から検出し、検出無しの場合に当該無線タグリーダの送信を許容するキャリアセンスを実行する。このキャリアセンスの結果が制御部４０に供給される。

制御部４０は、主要な機能として、次の（１）（２）を備えている。
（１）通常受信時（非キャリアセンス時）、データ復調部３５の復調データを認識してデータ送受信に関わる各種制御を実行する手段。
（２）キャリアセンス部３６のキャリアセンスの結果に応じて、当該無線タグリーダの送信を許容または禁止する手段。

つぎに、上記の構成の作用を説明する。
アンテナ１で受信される高周波信号は、帯域通過フィルタ２およびサーキュレータ３を介して増幅・非増幅切替回路４に入力される。このとき、キャリアセンスの非実行時（通常受信時）であれば、増幅・非増幅切替回路４に入力された受信信号が増幅されずに周波数変換部１０に供給される。キャリアセンスの実行時は、必要なキャリアセンス感度を得るべく、増幅・非増幅切替回路４に入力された受信信号が高周波増幅器７で増幅されて周波数変換部１０に供給される。

周波数変換部１０に供給された受信信号は、ローカル発振器２１からの高周波信号に基づいてベースバンド信号ＩＡ，ＱＡに変換される。ベースバンド部２４でデジタル信号に変換されたこのベースバンド信号ＩＢ，ＱＢが、低域通過フィルタ３１，３３を介してデータ復調部３５に入力されるとともに、低域通過フィルタ３１，３３および帯域阻止フィルタ３２，３４を介してキャリアセンス部３６に入力される。

キャリアセンス部３６は、当該無線タグリーダの送信前に、キャリアセンスを実行する。例えば、日本用に割り当てられた無線タグ用の周波数帯域のうち、５チャンネルの周波数（９５３MHz）で送信を開始しようとする場合、その送信周波数と同じ周波数成分が低域通過フィルタ３１，３３および帯域阻止フィルタ３２，３４を経たベースバンド信号ＩＤ，ＱＤから検出される。ベースバンド信号ＩＤ，ＱＤのレベルが設定値未満であれば、送信周波数と同じ周波数成分が無いと判断される。この場合、送信が許容される。ただし、ベースバンド信号ＩＤ，ＱＤのレベルが設定値以上であれば、送信周波数と同じ周波数成分が有ると判断される。この場合、送信が禁止される。

ここで、当該無線タグリーダの５チャンネルの周波数（９５３MHz）に対して４００kHz離れた７チャンネルの周波数（９５３．４MHz）の電波が他の無線タグリーダから送信されている場合を想定する。以下の説明では簡単のため、同相（I成分）のベースバンド信号についてのみ説明し、直交相（Q成分）のベースバンド信号についての説明は同様なので省略する。

まず、図３は、他の無線タグリーダから７チャンネルの周波数（９５３．４MHz）の電波が送信されている場合を想定して、信号発生器で４０kHzのＡＭ信号を発生させ、−７０dBm程度の小さなレベルの信号をアンテナ１に入力した場合に、ベースバンド部２４における低周波増幅器１３とアナログ・ディジタル変換器１４との間のラインのベースバンド信号Ｉをモニタするとともに、そのベースバンド信号ＩをＦＦＴ（高速フーリエ変換）して周波数成分として見たものである。

すなわち、ベースバンド信号Ｉの波形には、５チャンネルと７チャンネルの周波数差に相当する４００kHzのスペクトルが存在するとともに、その両側の変調周波数である４０kHz離れたところにそれぞれスペクトルが存在することが確認できる。

低域通過フィルタ３１，３３は、アナログ・ディジタル変換器１４，１８で使用されるサンプリング周波数を減衰させ、かつ当該無線タグリーダの通信速度（４０kbps）に対応する周波数成分（４０kHz）を通過させる特性であればよく、図４に示すように４０kHzの周波数成分を通過させつつ、その４０kHzの倍の８０kHzの周波数成分については減衰させる特性のものが採用される。

図３に示す例では、低域通過フィルタ３１，３３の通過帯域である５０kHz以下には周波数成分はほとんど存在しないため、７チャンネルの周波数（９５３．４MHz）の信号をキャリアセンスすることはない。

これに対し、図５は、同様に４０kHzでＡＭ変調された７チャンネルの周波数（９５３．４MHz）ではあるが、−３０dBm程度の大きなレベルの信号をアンテナ１に入力した場合に、ベースバンド部２４における低周波増幅器１３とアナログ・ディジタル変換器１４との間のラインのベースバンド信号Ｉをモニタし、かつそのベースバンド信号ＩをＦＦＴ（高速フーリエ変換）して周波数成分として見たものである。

この場合、受信信号のレベルがもともと大きいことに加え、その受信信号が高周波増幅器７によって増幅されるため、ベースバンド信号Ｉが飽和して歪んでしまう。このときのベースバンド信号Ｉの波形には、図３の場合と同じく４００kHzおよび４００kHz±４０kHzのスペクトルが存在するとともに、４０kHzおよびそのｎ倍（ｎは２以上の整数）の８０kHz等のスペクトルが存在する。

とくに、通信速度に対応する周波数（変調周波数）に等しい４０kHzのスペクトルが存在するため、仮に、帯域阻止フィルタ３２，３４がないと仮定すると、キャリアセンス部３６がキャリアセンスしてしまうことになる。

そこで、図６に示すような周波数特性を有する帯域阻止フィルタ３２，３４が設けられ、ベースバンド信号Ｉ，Ｑの４０kHzの周波数成分が除去される。これにより、キャリアセンス部３６の誤ったキャリアセンスが回避される。

ベースバンド信号Ｉ，Ｑには８０kHzのスペクトルも存在するが、その８０kHzの周波数成分は前段の低域通過フィルタ３１，３３によって減衰されるので、誤ったキャリアセンスの心配はない。

以上のように、ベースバンド部２４で生成されたベースバンド信号ＩＢ，ＱＢのうち、当該無線タグリーダの通信速度（４０kbps）に対応する周波数成分（４０kHz）を通す低域通過フィルタ３１，３３を設け、その低域通過フィルタ３１，３３を経たベースバンド信号ＩＣ，ＱＣを復調するとともに、当該無線タグリーダの通信速度（４０kbps）に対応する周波数成分（４０kHz）を阻止する帯域阻止フィルタ３２，３４を設け、その帯域阻止フィルタ３２，３４を経たベースバンド信号ＩＤ，ＱＤに対しキャリアセンスを実行することにより、別チャンネルの周波数で通信する他の無線タグリーダから強い電波が入力され、それが増幅・非増幅切替回路４で増幅された場合でも、誤ったキャリアセンスを防ぐことができる。これにより、常に確実な送信が可能となり、信頼性が大幅に向上する。

なお、上記実施形態の帯域阻止フィルタ３２，３４に代えて、周波数成分（４０kHz）を阻止する特性の低域通過フィルタを用いても、同様の効果が得られる。
また、上記実施形態において、増幅・非増幅切替回路４における高周波増幅器７として利得が可変のものを採用し、キャリアセンスの非実行時には高周波増幅器７を低利得で動作させ、キャリアセンスの実行時には高周波増幅器７を高利得で動作させるようにしてもよい。この場合、増幅・非増幅切替回路４の切替器５，６を不要とすることができる。

その他、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。

一実施形態の要部の構成を示すブロック図。 図１における信号処理部の主要な構成を示すブロック図。 一実施形態における他の無線タグリーダから小信号が入力された場合のベースバンド信号Ｉおよびその周波数成分を示す図。 一実施形態における低域通過フィルタの周波数特性を示す図。 一実施形態における他の無線タグリーダから大信号が入力された場合のベースバンド信号Ｉおよびその周波数成分を示す図。 一実施形態における帯域阻止フィルタの周波数特性を示す図。

符号の説明

１…アンテナ、２…帯域通過フィルタ、３…サーキュレータ、４…増幅・非増幅切替回路、５，６…切替器、７…高周波増幅器、１０…周波数変換部、１１，１５…ミキサ、１２，１６…低域通過フィルタ、１３，１７…低周波増幅器、１４，１８…アナログ・ディジタル変換器、１９…９０度位相シフト器、２０…信号処理部、２１…ローカル発信器、２２…変調器、２３…パワーアンプ、２４…ベースバンド部、３１，３３…低域通過フィルタ（第２フィルタ）、３２，３４…帯域阻止フィルタ（第１フィルタ）、３５…データ復調部（復調手段）、３６…キャリアセンス部（キャリアセンス手段）、４０…制御部

Claims (4)

1. 無線タグとの通信を行う無線タグリーダにおいて、
   受信信号をキャリアセンス実行時に通常受信時よりも増幅する増幅手段と、
   この増幅手段から出力された受信信号をベースバンド信号に変換する変換手段と、
   この変換手段で変換されたベースバンド信号のうち当該無線タグリーダの通信速度に対応する周波数成分を阻止する第１フィルタと、
   当該無線タグリーダの送信前にその送信周波数と同じ周波数成分を前記第１フィルタを経たベースバンド信号から検出し検出無しの場合に当該無線タグリーダの送信を許容するキャリアセンスを実行するキャリアセンス手段、を含む信号処理手段と、
   を備えていることを特徴とする無線タグリーダ。
2. キャリアセンスの実行時に前記信号処理手段からの指示に基づいて、受信信号を増幅するために前記増幅手段の切替を制御する切替手段、
   をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の無線タグリーダ。
3. 前記第１フィルタの前段に設けられ、前記変換手段で変換されたベースバンド信号のうち、当該無線タグリーダの通信速度に対応する周波数成分を通す第２フィルタと、
   前記第１フィルタを経ることなく前記第２フィルタを経たベースバンド信号を復調する復調手段と、
   をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２記載の無線タグリーダ。
4. 前記第１フィルタは帯域阻止フィルタである、
   ことを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれか一に記載の無線タグリーダ。

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