JP4447638B2 - 送受信に同一搬送波を用いる無線装置 - Google Patents

Description

本発明は、送受信に同一搬送波を用いる無線装置に関し、特に送受信に同一のキャリア周波数を用いるRFIDタグリーダ／ライタのような無線装置に関する。

近年、物流における商品識別、商品の盗難防止、および、部外者の侵入を排除する入退室管理等においてRFIDタグリーダ／ライタによるRFID（Radio Frequency Identification）タグの自動認識技術が注目を浴びている。

電波を使用するRFIDタグリーダ／ライタ及びRFIDタグにおいては、送受信のキャリア周波数が等しく、送信時に使用するキャリア信号と同一のキャリア信号を用いて受信（復調）を行うが、送受信に同一周波数のキャリア信号を用いるため、送信キャリア信号の装置内（例えば方向性結合器、基板への回路部品配置等）リークやアンテナより一旦出た電波の反射等による再受信により、復調器出力信号に直流成分が含まれ、それが直流オフセットとして機能することになる。

図１は、従来の送受信に同一のキャリア周波数を用いる無線装置における受信回路の原理を示す図である。図１において従来の送受信に同一のキャリア周波数を用いる無線装置、例えばRFIDタグリーダ／ライタ、における受信回路は、復調器６０と増幅器６４との間にコンデンサ６２を配置し、コンデンサ６２を用いて復調器出力信号から直流成分を除去するようにしている。コンデンサを配置して出力信号から直流成分を除去する技術は特許文献１に示されるように当業者に良く知られている。

図２は、図１における従来の受信回路の波形およびその処理の概要を示す図である。図２に示されるようにコンデンサを用いて直流成分を除去する構成の場合、復調器出力には直流オフセットが乗っており、コンデンサを介在させると復調器出力信号はどうしても微分されることになるため、波形が歪んで本来の信号成分をシャープに取り出すことができないという課題がある。

図１に示す従来構成において、例えば、直流成分の変動への反応を早くするためにコンデンサ６２の容量を小さくすると、必要な受信信号内の信号成分まで除去され、信号波形が崩れる。これを回避するために逆にコンデンサ６２の容量を大きくすると、直流成分の変動への反応が遅れてしまう。これは、一つのRFIDタグリーダ／ライタにおいてRFIDタグにおける送受信転送レートの異なる複数のプロトコルへ対応しようとすると致命的な問題となる。

図３は、従来の送受信に同一のキャリア周波数を用いる無線装置における他の受信回路の原理を示す図である。図３に示す従来構成においては、RFIDタグリーダ／ライタの受信回路において複数のコンデンサ６１、６２を配置し、複数のコンデンサ６１、６２をスイッチSW６３により適宜切り替えてRFIDタグにおける送受信転送レートの異なる複数のプロトコルへ対応させていた。しかし、送受信転送レートの異なる複数のプロトコルに対応させるためにいちいちコンデンサを切り替えて使用していたのでは煩雑すぎてとても実使用に耐えるものではなく、また結合コンデンサを介在させることにより波形が崩れるという問題には対処しきれていないという欠点を有していた。

そこで結合コンデンサを廃止して上記の問題を解決しようとすると、RFIDタグリーダ／ライタがアンテナより遠方にあるパッシブ型タグ（電源を持たないタグ）からの微小信号を扱う際には、直流オフセットは本来の信号成分である交流成分と比較して信号レベルが大きいため、増幅器の増幅度を大きく取れない（たかだか数倍程度が限度）という課題があった。
特開平９−３３１２９８号公報

上述した従来構成において問題となっている直流成分は、RFIDタグリーダ／ライタ内の送信キャリアリークやRFIDタグを取り巻くRFIDタグリーダ／ライタの環境に依存するところが大きいけれども、RFIDタグとの交信中の直流成分の変動は極めて少ないという特性を有している。

本発明の送受信に同一搬送波を用いるＲＦＩＤリーダ／ライタ装置は、復調器と、サンプル・ホールド回路と、差動増幅回路とを備え、前記復調器は、ＲＦＩＤタグから、送信信号と同一の周波数の搬送波で送信されてくる無線信号を復調し、前記サンプル・ホールド回路は、ＲＦＩＤタグに対してコマンドを送信した後で、前記ＲＦＩＤタグから前記コマンドに対する応答信号を受信していない期間でかつ、次のコマンドの送信を開始するまでの期間に前記復調器から得られる復調信号の直流成分をサンプル・ホールドし、前記差動増幅回路は前記サンプル・ホールド回路がホールドした直流成分を除去して前記復調器から所望の信号成分を増幅出力する。

上記のＲＦＩＤリーダ／ライタ装置によれば、増幅器の増幅度を大きくすることができる。

従来の送受信に同一のキャリア周波数を用いる無線装置における受信回路の原理を示す図である。 図１における従来の受信回路の波形及びその処理の概要を示す図である。 従来の送受信に同一のキャリア周波数を用いる無線装置における他の受信回路の原理を示す図である。 本発明の実施形態に係る送受信に同一のキャリア周波数を用いる無線装置における受信回路の原理を示す図である。 本発明の実施形態に係る送受信に同一のキャリア周波数を用いる無線装置の概略構成を示すブロック図である。 図４における受信回路の波形及びその処理の概要を示す図である。 図６に示したサンプル点を異ならせた波形図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図４は、本発明の実施形態に係る送受信に同一のキャリア周波数を用いる無線装置における受信回路の原理を示す図である。本発明の実施形態に係る送受信に同一のキャリア周波数を用いる無線装置は、例えばRFIDタグリーダ／ライタに適用されるものであり、該RFIDタグリーダ／ライタにおける受信回路は、図４に示すように、アンテナ（図５参照）より入ってきたＲＦ受信信号（Ｒｘ）をローカル（Ｌｏ）信号に基づいて復調する復調器DEM３０と、DSP(DigitalSignal Processor)(図５参照)のトリガーによりサンプリングを行い、前記復調器３０の復調信号に含まれる直流成分を記憶・保持するサンプル・ホールド回路ＳＨ２３と、記憶・保持された直流成分を反転入力端に加え、また振幅変調された受信信号成分を非反転入力端に加えて差動増幅し出力する差動増幅器２４を備えて構成される。

図５は、本発明の実施形態に係る送受信に同一のキャリア周波数を用いる無線装置の概略構成を示すブロック図である。図５に示す本発明の送受信に同一のキャリア周波数を用いる無線装置は、上述したRFIDタグリーダ／ライタの概略構成と同一のものであるので、ここではRFIDタグリーダ／ライタを例にとって説明する。図５においてRFIDタグリーダ／ライタは、DSP(DigitalSignal Processor)１の主導のもとにコマンド（送信コマンド）を図示していないRFIDタグに向けて送信しデータの読出し／書込みを実施する。すなわちDSP１からRFIDタグに向けてリード／ライト・コマンド指令を出すと、デジタルアナログ変換器(D/A)２は、RFIDタグへのリード／ライト・コマンドを送信回路１０のミキサ１２にベースバンド（ＩＦ）信号として印加する。送信回路１０のミキサ１２は印加されたベースバンド（ＩＦ）信号をローカル（Ｌｏ）信号４に基づいて高周波（ＲＦ）信号に変換しかつ増幅器１１で増幅して方向性結合器５を介してアンテナ６から図示していないRFIDタグに向けて高周波信号（ＲＦ）を放射する。RFIDタグ（図示せず）はDSP１からのリード／ライト・コマンドを受信部（図示せず）で受け取ると、RFIDタグ内でリード／ライト・コマンドを処理すると共にRFIDタグからの応答信号をDSP１に向けて送信部（図示せず）から送信する。パッシブ型のRFIDタグは自装置内に信号送信のための電源を持たないためRFIDタグリーダ／ライタの送信回路１０からの送信キャリアを応答信号の送信キャリヤに用い応答信号を振幅変調して高周波（ＲＦ）応答信号としてRFIDタグリーダ／ライタの受信回路２０に向けて送信する。振幅変調された高周波（ＲＦ）応答信号はアンテナ６、方向性結合器５を介してまず増幅器２１で増幅されたあとローカル（Ｌｏ）信号４が印加される受信回路２０にてベースバンド（ＩＦ）信号に変換され、図４で説明した受信回路の機能により直流成分が除かれさらに増幅され振幅変調された応答信号がアナログデジタル変換器(A/D)３を介してDSP１においてデジタルの応答信号として復元される。図５に示した受信回路２０においては、図４に示した受信回路の復調器３０が詳細な回路構成をもって示されているものの機能としては図４に示した受信回路と同じである。

図６は、図４における受信回路の波形及びその処理の概要を示す図である。図６の上段は、復調器３０の出力波形を示すものであり、併せてサンプリングを行う位置をサンプル点（ａ）として示している。同図上段の波形図において、実線波形と破線波形の両方が直流オフセットを伴って示されている。これはRFIDタグリーダ／ライタとRFIDタグとの距離や環境、さらには方向性結合器からのキャリアリーク等に応じて実線波形と破線波形の両方が復調器DEM出力として観測されることを示している。そして所望の信号であるタグ応答信号は、直流オフセットが上乗せされている状態ではダイナミックレンジが大きすぎて増幅度を大きくとれないために増幅器出力として十分な信号レベルを取り出すことができない。しかし本発明のサンプル・ホールド回路は例えばサンプル点（ａ）におけるサンプリングによりこの直流オフセットを記憶・保持し、保持した直流オフセットと所望の信号成分とを差動増幅器の反転入力端及び非反転入力端にそれぞれ印加することで直流オフセットを完全に除去することができるので、図６下段の波形図に示すような直流成分が除去された所望の信号成分を取り出すと共に所望の信号成分は小さなダイナミックレンジで済むために所望の信号成分についてハイゲインの増幅操作を行うことで十分な信号レベルの所望の信号成分を得ることができる。なお受信回路から得られる送信コマンドのリーク（漏れ）は所望の信号ではないのでDSP１において無視される。

図７は、図６に示したサンプル点を異ならせた波形図であってサンプリングを行う位置をサンプル点（ｂ）とし、図６上段波形図に示したサンプリングを行う位置をサンプル点（ａ）とは異なる位置にしたものである。サンプル点を異ならせるには、図５に示すDSP１からのリード／ライト・コマンド指令を出すに伴ってDSP１からサンプル・ホールド回路２３に与えるトリガーを送信コマンドの送信期間を除いた任意のタイミングで行うことにより実現される。本発明のサンプル・ホールド回路はサンプル点（ｂ）におけるサンプリングにより直流オフセットを記憶・保持し、保持した直流オフセットと所望の信号成分とを差動増幅器の反転入力端及び非反転入力端にそれぞれ印加することで直流オフセットを完全に除去することができる。このように本発明においては、DSP１からRFIDタグに向けてリード／ライト・コマンド指令を出し、RFIDタグリーダ／ライタの送信回路１０からの送信キャリアに乗ってリード／ライト・コマンドが送信開始されてからRFIDタグリーダ／ライタの受信回路２０がRFIDタグからの所望の信号成分が受信開始されるまでの間で且つ送信リード／ライト・コマンドが送信されていない期間の任意のタイミングでサンプル点位置を変えることができる。具体的に図６上段波形のサンプリングを行う位置、すなわちサンプル点（ａ）から図７に示したサンプリングを行う位置をサンプル点（ｂ）までの間の送信コマンドの送信期間を除いた任意の位置にサンプル点を変えることができる。なお、上記送信コマンドの送信期間を除いたサンプル点（ａ）からサンプル点（ｂ）までの間にDSP１からサンプル・ホールド回路２３に複数回に渡りトリガーを与え、複数回のサンプル・ホールドを実施するようにしても良い。さらに図示していないが送信コマンドの内容、すなわち送信コマンドがリード（read）であるか又はライト（write）であるかに応じてサンプル・ホールドするタイミングを変更するようにしても良い。

以上説明したように本発明の送受信に同一のキャリア周波数を用いる無線装置によれば、キャリアリーク等の妨害波によって生成された直流成分をサンプル・ホールド回路によって記憶・保持し、次段の差動増幅回路によって除去しかつベースバンド信号の増幅を行うようにしたので、増幅器の増幅度（ゲイン）を飛躍的に向上（従来では増幅度が一桁台だったのを本発明により最低でも二桁台まで増加可能）させることができ、これにより所望の信号成分を確実に再現することができる。その結果、アンテナより遠方にあるパッシブ型のRFIDタグからの微小信号の取扱いを容易化することができる。

本発明の送受信に同一のキャリア周波数を用いる無線装置は、無線装置の直流オフセットを完全に除去して振幅変調された所望信号成分を確実に再現できるので、たとえばパッシブ型のRFIDタグを利用するRFIDタグリーダ／ライタに適用することにより、パッシブ型のRFIDタグの利用拡大を図ることが可能となる。

Claims (3)

1. 復調器と、サンプル・ホールド回路と、差動増幅回路と、を備え、
   前記復調器は、ＲＦＩＤタグから、送信信号と同一の周波数の搬送波で送信されてくる無線信号を復調し、
   前記サンプル・ホールド回路は、ＲＦＩＤタグに対してコマンドを送信した後で、前記ＲＦＩＤタグから前記コマンドに対する応答信号を受信していない期間でかつ、次のコマンドの送信を開始するまでの期間に前記復調器から得られる復調信号の直流成分をサンプル・ホールドし、
   前記差動増幅回路は前記サンプル・ホールド回路がホールドした直流成分を除去して前記復調器から所望の信号成分を増幅出力することを特徴とする送受信に同一搬送波を用いるＲＦＩＤリーダ／ライタ装置。
2. 送受信を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記応答信号を受信していない期間において複数回前記サンプル・ホールド回路にサンプル・ホールド指令を与えることを特徴とする請求項１に記載の送受信に同一搬送波を用いるＲＦＩＤリーダ／ライタ装置。
3. 前記制御部は、前記コマンドの内容に応じてサンプル・ホールドするタイミングを変更することを特徴とする請求項２に記載の送受信に同一搬送波を用いるＲＦＩＤリーダ／ライタ装置。

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