JP4352985B2

JP4352985B2 - 無線通信装置

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Publication number: JP4352985B2
Application number: JP2004140581A
Authority: JP
Inventors: 邦夫福田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: JP2005323224A

Description

本発明は、特定周波数帯のマイクロ波を用いた電波通信方式による無線通信装置に係り、特に、比較的近距離の機器間において低消費電力の通信動作を実現する無線通信装置に関する。

さらに詳しくは、本発明は、読取装置側からの無変調搬送波の送信と、送信装置側におけるアンテナの終端操作に基づく受信電波の吸収と反射を利用したバック・スキャッタ変調方式によりデータ通信を行なう無線通信装置に係り、特に、読取装置側における送信機雑音の影響を除去して受信感度を向上させるとともに通信距離を拡張する無線通信装置に関する。

局所でのみ適用可能な無線通信手段の一例として、ＲＦＩＤを挙げることができる。ＲＦＩＤとは、タグとリーダとから構成されるシステムで、タグに格納された情報をリーダで非接触に読み取るシステムである。他の呼び方として、「ＩＤシステム、データ・キャリヤ・システム」などがあるが、世界的に共通なのが、このＲＦＩＤシステムである。略してＲＦＩＤという場合もある。日本語に訳すると「高周波（無線）を使用した認識システム」となる。タグとリーダライタの間の通信方法には、電磁結合方式、電磁誘導方式、電波通信方式などが挙げられる（例えば、非特許文献１を参照のこと）。

ＲＦＩＤシステムは、ＲＦＩＤのタグと、タグ・リーダで構成される。タグは、タグ・リーダより送信された無変調の電波ｆ_oを受信すると、整流され、直流電源に変換され、この直流電源を動作電源に用いることができる。そして、タグ側では、送信データのビット・イメージに従ってアンテナの終端操作を行ない、受信電波の吸収と反射を利用してデータを表現する。すなわち、データが１の場合は、アンテナをアンテナ・インピーダンスで終端し、タグ・リーダからの電波を吸収される。また、データが０の場合は、アンテナの終端をオープン状態とすることで、タグ・リーダからの電波を反射する。タグからは、バック・スキャッタ方式による反射により、タグ・リーダからの送信信号と同一周波数の信号が戻されることになる。このように到来した電波の反射又は吸収のパターンによってデータを表現する通信方法は「バック・スキャッタ方式」と呼ばれる。このようにして、タグは無電源で内部の情報をリーダ側に送ることが可能となる。

従来、このようなバック・スキャッタ方式の無線通信システムは、通信範囲が比較的近距離に限定されることから、ＲＦＩＤタグに代表されるように、物品や人などの識別や認証に適用されることが多かった。

例えば、送受信及びメモリ機能を備えたＩＣチップと、該チップの駆動源と、アンテナとをパッケージ化して無線識別装置を小型に製作することができる（例えば、特許文献１を参照のこと）。この無線識別装置によれば、物品などに関するさまざまのデータをアンテナ経由でＩＣチップの受信手段に送信し、その出力をメモリに蓄積しておくとともに、必要に応じてメモリ内のデータを読み出して、アンテナを介して無線で外部に供給することができる。したがって、物品などの存在や位置を迅速且つ容易に確認したり追跡したりすることが可能である。

他方、ＲＦＩＤのタグは一般的に無電源で、電力はリーダからの電波により供給される。この電力を装置内のバッテリから供給することにより、バック・スキャッタ方式による低消費電力の無線データ伝送を実現することができる。すなわち、バック・スキャッタ方式の無線通信は、通信距離を限定するならば、極めて消費電力の低い無線伝送路を確立することができるという特徴も備えている。最近では、実装技術の向上とも相俟ってメモリ機能を搭載したＩＣチップが出現し、さらにこのメモリ容量が増大してきている。したがって、識別・認証情報のように比較的短いデータの通信を行なうだけでなく、一般的なデータ伝送にもバック・スキャッタ方式の通信を採り入れたいという要望がある。例えば、デジタル・カメラ、携帯電話から、ＰＣ、プリンタ、ＴＶなどへの画像伝送に有効である。

ここで、バック・スキャッタ方式に基づく通信システムは、アンテナの終端操作に基づく受信電波の吸収と反射を利用してデータ通信を行なうことを基本動作としており、通常はリーダからのキャリヤの周波数と反射波の中心周波数は同じであるが、リーダ側では送信受信を同一周波数で行なうことになる。

このような場合、受信部では、送信側から回り込んだ送信周波数の影響を受ける上、電力強度が弱い反射波を処理しなければならない。すなわち、受信部では、ＤＣオフセット、送信機雑音の影響を受け易く、伝送距離を伸ばすことが困難となる。また、バック・スキャッタ方式での変調方式は一般的にはＡＳＫ、ＰＳＫによるものがほとんどで、高速化するのが困難である。

図５には、従来のバック・スキャッタ方式の無線通信システムの構成例を示している。

参照番号５００はモバイル機器側の無線送信装置、参照番号５１０はリーダ側の無線送受信装置であり、無線送信装置５００から無線送受信装置５１０にバック・スキャッタ方式によってデータ伝送を行なうものとする。

無線送信装置５００は、デジタル・カメラなどのアプリケーション部５０３に接続される。同様に、無線送受信装置５１０は、プリンタなどのアプリケーケーション部５１９に接続されている。

無線送受信装置５１０は、アンテナ５１１、送信波と受信波を分離するサーキュレータ５１２、受信部５１４、受信部５１４と送信部５１７との送受共通のローカル発振器５１３とベースバンド処理部５１８で構成される。図示の例では、受信部５１４、送信部５１６ともにダイレクト・コンバージョン方式を用いるとする。さらに、受信部５１４は直交復調部５１５とＡＧＣアンプ５１４で構成される。無線送信部５００への無変調キャリヤの送信は、ベースバンド処理部５１８より送信部５１７をオンにすることにより、ローカル発振器５１３の周波数ｆ_oをサーキュレータ５１２経由でアンテナ５１１から送信することにより行なわれる。

送信された無変調キャリヤｆ_oは、無線送信部５００に到達する。無線送信部５００は、アンテナ５０１と、バック・スキャッタ変調器５０２で構成される。バック・スキャッタ変調器５０２は、アプリケーション部５０３の送信データに従って、バック・スキャッタによるＡＳＫ又は、ＰＳＫ、ＱＰＳＫ変調を行なう。変調は、ダイオード、ＧａＡｓスイッチなどのオン／オフ操作により簡単に構成することができる。このようして、最終的にアンテナ５０１から反射される変調波は、無変調キャリヤの中心周波数ｆ_oを中心に生成される。

無線送受信装置５１０では、中心周波数ｆ_oのバック・スキャッタされた変調波がアンテナ５１１、サーキュレータ５１２、及び受信部５１４で受信される。直交復調部５１５には、ローカル発振器５１３の周波数ｆ_oが入力され、ダイレクト・コンバージョン受信が行なわれ、ベースバンド信号のＩ'、Ｑ'の各信号が生成される。

このベースバンド信号のＩ'、Ｑ'信号は、後段のＡＧＣアンプ５１６で所望のレベルに増幅され、ベースバンド信号のＩ、Ｑ信号が得られ、ベースバンド処理部５１８に渡される。ベースバンド処理部５１８では復調が行なわれ、受信データと受信クロックがアプリケーション部５１９に送られる。

ここで、送信部１１７からの無変調キャリヤｆ_oは、サーキュレータ１１２を通ってアンテナ１１１より放射されるが、受信部５１１側にも回り込む。この回り込みは、サーキュレータ５１２である程度は軽減することができるが、その値は無限ではなく、２０ｄＢ程度のアイソレーションが現実的な値である。

図５には、リーダ側における周波数スペクトラムを併せて示している。参照番号５２０は直交復調部５１５の入力端での周波数スペクトラムである。参照番号５２２はバック・スキャッタで反射された変調波で、例えばＢＰＳＫ変調波であり、参照番号５２１が無変調キャリヤである。変調信号５２２が小さいときには、無変調キャリヤ５２１の方が大きな値となる。

この無変調キャリヤｆ_oは、直交復調部５１５に入り、ローカル発振器５１３のローカル周波数ｆ_oとミックスされ、大きな直流電圧を生成する。これがＤＣオフセットとなり、直交復調器５１５の動作に大きな悪影響を与える。このため、微小な変調信号は歪んでしまい復調が困難となり、伝送距離を伸ばすことを阻害する大きな原因となる。

このような問題を解決する１つの方法として、タグ側で、受信周波数ｆ_oを所定の中心周波数ｆ_sだけ正負いずれかの方向に周波数シフトさせて、反射波を送り返すという方法が挙げられる。この場合、タグ・リーダ側では、受信反射波の周波数は送信周波数と同一ではなくなるので、ＤＣオフセット、送信機雑音の影響を回避して、感度よく反射波を受信処理することができるので、伝送距離を伸ばすことが可能となる。

例えば、一度サブキャリヤでＱＰＳＫ変調を行ない、その後、２次変調としてＡＳＫ、ＰＳＫによりバック・スキャッタ方式で変調を掛ける方法について提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。

しかしながら、この場合、タグなどの無線送信装置側と、タグ・リーダなどの無線送受信装置側のそれぞれにおいてローカル周波数を別にすることになるから、システム全体のコスト増大を招来する、という問題がある。

特開平６−１２３７７３号公報特開平１０−２０９９１４号公報クラウス・フィンケンツェラー著（ソフト工学研究所訳）「ＲＦＩＤハンドブック非接触ＩＣカードの原理と応用」（日刊工業新聞社）

本発明の目的は、読取装置側からの無変調キャリヤの送信と、送信装置側におけるアンテナの終端操作に基づく受信電波の吸収と反射を利用したバック・スキャッタ方式によりデータ通信を行なうことができる、優れた無線通信装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、読取装置側における無変調キャリヤの回り込みによる送信機雑音の影響を除去して受信感度を向上させるとともに通信距離を拡張することができる、優れた無線通信装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、電波の吸収と反射を利用したバック・スキャッタ方式によりデータ通信を行なう無線通信装置であって、
中心周波数ｆ_oの無変調キャリヤを送信する送信手段と、
前記無変調キャリヤに対するバック・スキャッタ変調された反射波信号から中心周波数ｆ_o近傍に相当する成分を減衰させる信号減衰手段と、
前記信号減衰手段により中心周波数ｆ_o近傍に相当する成分が減衰された変調信号を復調処理する復調手段と、
を具備することを特徴とする無線通信装置である。

本発明は、例えばバック・スキャッタ方式によりタグが無電源でデータ通信を行なうことができるＲＦＩＤシステムに関するのであり、本発明に係る無線通信装置は、ＲＦＩＤタグからのバック・スキャッタ変調された反射波を読み取るタグ・リーダに適用することができる。

通常のＲＦＩＤシステムにおいては、リーダからのキャリヤの周波数と反射波の中心周波数は同じであり、リーダ側では送信受信を同一周波数で行なうことになるから、タグ・リーダの受信部では、送信部側からの無変調キャリヤの回り込みによるＤＣオフセットや送信機雑音の影響を受けながら、電力強度の弱い反射波を処理しなければならない、という問題がある。

これに対し、本発明に係る無線通信装置では、バック・スキャッタ通信用に中心周波数ｆ_oの無変調キャリヤを送信した後、タグなどの送信装置側でアンテナの終端操作によりバック・スキャッタ変調された反射波を受信すると、受信信号中の中心周波数ｆ_oに相当する成分を減衰させるようにした。

これによって、受信処理において、送信部側からの無変調キャリヤの回り込みの影響を抑制することができることから、ＤＣオフセットや送信機雑音を除去し、受信感度を向上させるとともに通信距離を拡張することができる。

ここで、受信した変調信号の中から特定の周波数成分を減衰若しくは除去するためには、特定の周波数成分を不透過とする特性を持つバンド・エリミネーション・フィルタ若しくはノッチ・フィルタに受信信号を通過させればよい。

バンド・エリミネーション・フィルタは、例えば水晶フィルタ、セラミック・フィルタ、ＳＡＷフィルタなどで構成することができる。

ところが、これらのフィルタは無線周波数のような高周波数領域では信号を減衰する特性を見出すことができない。そこで、現実には、信号減衰手段は、無線周波数領域からなる受信した変調信号の中心周波数ｆ_oを一旦中間周波数ｆ_lに周波数変換した後、この中間周波数ｆ_lとその近傍の周波数帯をバンド・エリミネーション・フィルタで減衰させるように構成する。

また、このような場合、復調手段は、中間周波数ｆ_lの直交変調器を用いて変調信号の復調処理を行なうことができる。

また、送信手段は、周波数ｆ_o−ｆ_l、又は周波数ｆ_o＋ｆ_lと周波数ｆ_oを混合して無変調キャリヤを生成することができる。

本発明によれば、読取装置側からの無変調キャリヤの送信と、送信装置側におけるアンテナの終端操作に基づく受信電波の吸収と反射を利用したバック・スキャッタ方式によりデータ通信を好適に行なうことができる、優れた無線通信装置を提供することができる。

また、本発明によれば、読取装置側における無変調キャリヤの回り込みによる送信機雑音の影響を除去して受信感度を向上させるとともに通信距離を拡張することができる、優れた無線通信装置を提供することができる。

本発明によれば、バック・スキャッタによる変調された反射波を、無変調キャリヤの影響を抑えて受信ができるようになり、伝送距離のアップが期待することができる。また、送信側では、無変調キャリヤの中心周波数近傍の位相雑音をバンド・エリミネーション・フィルタで取り除くことができ、受信側の復調性能の劣化を軽減することが可能となる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

本発明は、例えばバック・スキャッタ方式によりタグが無電源でデータ通信を行なうことができるＲＦＩＤシステムに関するものであり、本発明に係る無線通信装置は、ＲＦＩＤタグからのバック・スキャッタ変調された反射波を読み取るタグ・リーダに適用することができる。

図１には、本発明の一実施形態に係る無線通信装置の構成を示している。図示の無線通信装置は、ＲＦＩＤシステムにおけるタグ・リーダとして動作することができる。なお、ＲＦＩＤタグ側は従来と同様の構成及び動作特性のものを適用することができるので、ここでは説明を省略する。

参照番号２００は、無線送受信装置であり、図５の１１０に相当する。図示の無線送受信装置２００は、アンテナ２０１、送信波と受信波を分離するサーキュレータ２０２、受信部２１３、送信部２１４との送受共通のローカル発振器２０８と２０９、そしてベースバンド処理部２１２で構成される。

受信部２１３は、バンドパス・フィルタ２０３、ミキサ２０４、バンド・エリミネーション・フィルタ（ノッチ・フィルタ）２０５、直交復調部２０６と、ＡＧＣアンプ２０７で構成される。

バンド・エリミネーション・フィルタ（ノッチ・フィルタ）２０５は、本発明の特徴であるので、詳細は後述する。送信部２１４は、バンドパス・フィルタ２１０、ミキサ２１１で構成される。

無線送信部２００への無変調キャリヤｆ_oは、ローカル発振器２０９の周波数ｆ_lとローカル発振器２０８の周波数ｆ_o−ｆ_lをミキサ２１１で混合することによって得られる。バンドパス・フィルタ２１０は、イメージ周波数ｆ_o−２ｆ_lを除去する、すなわち周波数演算に伴い生成される不要な片側成分を除去するために使用される。

このようして生成された無変調キャリヤは、サーキュレータ２０２を経由してアンテナ２０１より送信される。

ここで、送信部２００より送信された無変調キャリヤｆ_oは、無線送信部１００に向かって伝達するが、同時にサーキュレータ２０２のアイソレーションを超えて、受信部２１３に伝達してしまう。図２には、ａ点における周波数スペクトラムを示している。同図から、変調信号２１７の中心に周波数ｆ_oの無変調キャリヤ２１６が飛び出ていることが判る。従来は、これがＤＣオフセットを起こす原因となっていた。

ここで、ＲＦＩＤシステムの無変調キャリヤの中心周波数ｆ_oは、例えば、２．４ＧＨｚ帯が使われる。一般的に、この周波数帯で、±数１０ＫＨｚの帯域で、バンドエリミネ―ションフィルタを作ることは非常に困難である。そこで、本実施形態では、周波数帯ｆ_oを中間周波数帯ｆ_lに変換してから、バンド・エリミネーション・フィルタ２０５で、無変調キャリヤの成分を減衰させる。バンド・エリミネーション・フィルタ２０５は、水晶フィルタ、セラミック・フィルタ、ＳＡＷフィルタなどで実現される。

ミキサ２０４は、周波数ｆ_o−ｆ_l（又は、ｆ_o＋ｆ_l）のローカル発振器２０８と周波数ｆ_oを混合し、中間周波数ｆ_lを生成する。中間周波数ｆ_lとしては、例えば、２０〜５０ＭＨｚ程度の周波数が選ばれる。

図３には、バンド・エリミネーション・フィルタ２０５の入力端ｂでの周波数スペクトラムを示している。同図中で、参照番号２２０はバック・スキャッタで反射された変調波を、参照番号２１９はｆ_lに変換された無変調キャリヤをそれぞれ示している。

また、図４には、バンド・エリミネーション・フィルタ２０５の出力端ｃでの周波数スペクトラムを示している。同図中で、参照番号２２２はバック・スキャッタで反射された変調波を示している。これより、変調信号の中心の無変調キャリヤが除去されることが判る。

なお、バンドパス・フィルタ２０３は、ミキサ２０４のイメージ周波数ｆ_o−２ｆ_lを除去、すなわち周波数演算に伴い生成される不要な片側成分を除去するために用いられる。

このようして得られた２１７の変調信号は、ｆ_lの近傍の周波数成分がカットされた状態で、直交復調部２０６に入力される。変調速度を１０Ｍｂｐｓとした場合、中心周波数の±数１０ＫＨｚの成分が減衰していても、復調への影響はほとんどない。

直交復調部２０６では、ローカル発振器２０９の発振周波数ｆ_lにより直交検波され、９０度位相の異なるベースバンド信号Ｉ’及びＱ’が生成される。ベースバンド信号Ｉ’及びＱ’は、ＡＧＣアンプ２０７により復調に最適なレベルに可変増幅され、ベースバンド処理部２１２で復調され、受信データと受信クロックに変換される。

以上のように、無線周波数を周波数変換により低い中間周波数帯にダウンコンバートした後にバンド・エリミネーション・フィルタを通すことにより、受信側での無変調キャリヤの影響を取り除くことができる。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に係る無線通信装置の構成を示した図である。図２は、図１中のａ点における周波数スペクトラムを示した図である。図３は、バンド・エリミネーション・フィルタ２０５の入力端ｂでの周波数スペクトラムを示した図である。図４は、バンド・エリミネーション・フィルタ２０５の出力端ｃでの周波数スペクトラムを示した図である。図５は、従来のバック・スキャッタ方式の無線通信システムの構成例を示した図である。

符号の説明

２００…無線送受信装置
２０１…アンテナ
２０２…サーキュレータ
２０３…バンドパス・フィルタ
２０４…ミキサ
２０５…バンド・エリミネーション・フィルタ
２０８，２０９…ローカル発振器
２１０…バンドパス・フィルタ
２１１…ミキサ
２１２…ベースバンド処理部
２１３…受信部
２１４…送信部

Claims

電波の吸収と反射を利用したバック・スキャッタ方式によりデータ通信を行なう無線通信装置であって、
アンテナと、
送信波と受信波を分離する分離手段と、
前記分離手段を介して前記アンテナを共用する、中心周波数ｆ_oの無変調キャリヤを送信する送信手段、及び、前記無変調キャリヤに対するバック・スキャッタ変調された反射波信号を受信する受信手段と、
を具備し、
前記受信手段は、前記無変調キャリヤに対するバック・スキャッタ変調された反射波信号から中心周波数ｆ_o近傍に相当する成分を減衰させる信号減衰手段と、前記信号減衰手段により中心周波数ｆ_o近傍に相当する成分が減衰された変調信号を直交復調する直交復調手段を有する、
ことを特徴とする無線通信装置。
前記信号減衰手段は、特定の周波数成分を不透過とする特性を持つバンド・エリミネーション・フィルタに変調信号を通過させて、特定の信号成分を減衰させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
前記バンド・エリミネーション・フィルタは、水晶フィルタ、セラミック・フィルタ、又はＳＡＷフィルタで構成される、
ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
前記信号減衰手段は、
無線周波数領域からなる受信した変調信号の中心周波数ｆ_oを一旦中間周波数ｆ_lに周波数変換する周波数変換手段と、
周波数変換された変調信号から中間周波数ｆ_lとその近傍の周波数帯を減衰するバンド・エリミネーション・フィルタと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
前記復調手段は、中間周波数ｆ_ｌの直交変調器を用いて変調信号の復調処理を行なう、
ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
周波数ｆ_o−ｆ_l、又は周波数ｆ_o＋ｆ_lと周波数ｆ_oを混合して中間周波数ｆ _ｌを生成するミキサを備える、
ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。