JP4451318B2

JP4451318B2 - アクティブ無線タグシステムおよび受信機。

Info

Publication number: JP4451318B2
Application number: JP2005009284A
Authority: JP
Inventors: 守宇賀神; 賢司鈴木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2025-01-17
Also published as: JP2006197490A

Description

本発明は、無線タグに利用されている例えば 300ＭHz帯の微弱無線規格を用いて通信を行うアクティブ無線タグシステムおよび受信機に関する。

図６は、従来のアクティブ無線タグシステムに用いる送信機（無線タグ）の構成例を示す。図において、送信機は、ＲＦキャリア信号を出力する発振器５１と、発振器５１が出力するＲＦキャリア周波数を制御するＰＬＬ５２と、このＲＦキャリア信号を送信データ作成部５３から出力される送信データでオンオフ変調するオンオフ変調回路５４と、オンオフ変調回路５４から出力される変調信号を増幅する増幅器５５と、増幅された変調信号から不要信号を除去する狭帯域のバンドパスフィルタ５６と、不要信号が除去された変調信号を無線信号として送信するアンテナ５７を備える。さらに、ＰＬＬ５２で制御されるＲＦキャリア周波数と送信データ作成部５２におけるデータクロックは、水晶発振器５８を用いて高精度に制御される。

図７は、従来のアクティブ無線タグシステムに用いる受信機の構成例を示す。図において、受信機は、送信機から送信された無線信号を受信するアンテナ６１と、アンテナ６１の受信信号を増幅する増幅器６２と、増幅された受信信号を中間周波数（ＩＦ）に周波数変換する発振器６３およびミキサ６４と、発振器６３の発振周波数を制御するＰＬＬ６５と、中間周波数の受信信号から不要信号を除去する狭帯域のバンドパスフィルタ６６と、不要信号が除去された受信信号をオンオフ復調するオンオフ復調回路６７と、復調されたアナログ復調信号をディジタル信号に変換し、受信データとして出力するディジタル変換回路６８を備える。さらに、ＰＬＬ６５で制御される発振器６３の発振周波数とディジタル変換回路６８は、水晶発振器６９を用いて高精度に制御され、受信データは送信側で用いたデータクロックと同じ周波数のデータクロックで復調される。
Microwave and RF Design of Wireless Systems,David M. Pozar, ISBNO-471-32282-2, pp.335-338

ところで、アクティブ無線タグシステムでは、送信機（無線タグ）に内蔵されている電池交換の頻度を少なくすることが重要であり、理想的には電池交換不要の送信機（無線タグ）が求められている。このため、送信機（無線タグ）の消費電力を極限まで低減する必要がある。しかし、従来のアクティブ無線タグシステムの送信機（無線タグ）は、図６に示すように消費電力の大きい水晶発振器５８を用いており、低電力化を困難にする要因になっていた。

本発明は、送信機（無線タグ）の水晶発振器を不要にして超低電力を実現するアクティブ無線タグシステムおよび受信機を提供することを目的とする。

本発明は、送信機（無線タグ）と受信機との間で微弱無線規格に基づく無線信号の送受信を行うアクティブ無線タグシステムにおいて、送信機は、所定のデータレート（Ａビット／秒）の送信データを短時間のディジタル信号に変換してアンテナに供給し、短時間の電波パルスとして送信する構成であり、かつ送信データの先頭にデータレートを抽出するための所定のデータレート抽出用データを付加して送信する構成である。受信機は、受信して復調したアナログ復調信号をデータレートよりも高速なレート（Ｘビット／秒）の高速ディジタルデータに変換し、データレート抽出用データからデータレート（Ａビット／秒）を抽出し、高速ディジタルデータのビット列を整数近似した（Ｘ／Ａ）ビットごとに区切り、その中に「１」のビットが含まれているか否かを判断し、「１」のビットが含まれている（Ｘ／Ａ）ビットに対して「１」、「１」のビットが含まれていない（Ｘ／Ａ）ビットに対して「０」のディジタル復調データを出力する構成である。

本発明は、所定のデータレート（Ａビット／秒）の送信データを短時間のディジタル信号に変換してアンテナに供給し、短時間の電波パルスとして送信する構成であり、かつ送信データの先頭にデータレートを抽出するための所定のデータレート抽出用データを付加して送信する送信機（無線タグ）と、受信機との間で微弱無線規格に基づく無線信号の送受信を行うアクティブ無線タグシステムに用いられる受信機において、受信して復調したアナログ復調信号をデータレートよりも高速なレート（Ｘビット／秒）の高速ディジタルデータに変換する手段と、データレート抽出用データからデータレート（Ａビット／秒）を抽出し、高速ディジタルデータのビット列を整数近似した（Ｘ／Ａ）ビットごとに区切り、その中に「１」のビットが含まれているか否かを判断し、「１」のビットが含まれている（Ｘ／Ａ）ビットに対して「１」、「１」のビットが含まれていない（Ｘ／Ａ）ビットに対して「０」のディジタル復調データを出力する手段とを備える。

本発明は、無線帯域にアンテナ帯域全体を用い、またデータクロックの周波数補正を受信機側で行うことができる。このため、送信機（無線タグ）の無線キャリア周波数の精度およびデータクロック周波数精度は、高精度である必要はない。したがって、送信機（無線タグ）に水晶発振器等の基準周波数発生部品を備える必要がなく、超低電力な無線タグおよびそれを使ったアクティブ無線タグシステムを実現することができる。

本発明のアクティブ無線タグシステムでは、無線として微弱無線規格を用いる。このため、無線の変調方式に制限がなく、自由な変調方式を用いることができる。ただし、微弱無線の電波強度は１ＭHz帯域の最大瞬間電波強度で規定される。このため、１ビット当たりの電波エネルギーを最大にするにはデータレートを１Ｍbps 以下に制限する必要がある。その理由は、データレートが１Ｍbps より大きい場合はデータレートに反比例させて１ビットに対応する送信電波エネルギーを下げる必要があり、逆にデータレートが１Ｍbps 以下であれば１ビットに対応する送信電波エネルギーが一定になるからである。すなわち、データレートの値が微弱無線規格の電波強度を規定する帯域幅と等しいかまたは帯域幅より小さいことが好ましい。

（送信機（無線タグ）の実施形態）
図１は、本発明のアクティブ無線タグシステムの送信機（無線タグ）の実施形態を示す。

図において、データクロック用ディジタル発振器１１は、インバータリングなどにより構成されており、その出力は送信データのクロックとして用いられる。このデータクロックは受信側で補正するため、その周波数精度は高精度である必要はない。このため、水晶発振器などの基準周波数が不要である。

送信データ作成部１２は、データクロック用ディジタル発振器１１から出力されるクロックを用いて、作成した送信データ（ＩＤデータ）をカウンタ１３に送出する。ＩＤデータとして「１」のデータがカウンタ１３に入力すると、アンテナ共振用ディジタル発振器１４が動作開始する。アンテナ共振用ディジタル発振器１４もインバータリングなどにより構成されており、その出力信号がインバータ１５を介してアンテナ１６に供給される。

ここで、アンテナ共振用ディジタル発振器１４の発振周波数またはその高調波の周波数がアンテナ帯域内の周波数になるように設計される。例えば、アンテナ帯域が 285ＭHz〜 315ＭHzの場合、アンテナ共振用ディジタル発振器１４の発振周波数は 285ＭHz〜 315ＭHz、またはディジタル信号の３次歪み成分をアンテナ帯域と一致させる場合にはその発振周波数は95ＭHz〜 105ＭHzの範囲になるように設計される。このように、アンテナ共振用ディジタル発振器１４の発振周波数は高精度な制御が不要なため、水晶発振器などの基準周波数が不要となる。

カウンタ１３は、アンテナ共振用ディジタル発振器１４の出力をカウントし、所定の回数の矩形波をカウントすると、アンテナ共振用ディジタル発振器１４の動作を停止させる。このため、短時間のディジタル信号Ａがアンテナ１６に供給され、アンテナ１６を共振させることになる。このとき、アンテナ１６から送信される電波パルスＢの時間は、アンテナ帯域に反比例する。

ここで、アンテナ１６に供給されるディジタル信号Ａは、図３に示す信号波形例では２個の矩形信号としたが、この信号はアンテナ帯域の逆数で決定される時間以下の短時間の信号であればよい。このため、矩形信号の数は２個とは限らない。

（受信機の実施形態）
図２は、本発明のアクティブ無線タグシステムの受信機の実施形態を示す。なお、ここに示す受信機は、図７に示す従来構成からバンドパスフィルタ６５を除き、さらに送信信号のデータクロックの精度が保証されていないことから、高速レートでディジタルデータに変換後にデータレート補正処理を行う手段を付加した構成である。すなわち、本実施形態の受信機は、アンテナ６１と、増幅器６２と、発振器６３およびミキサ６４と、ＰＬＬ６５と、オンオフ復調回路６７と、ディジタル変換回路６８と、水晶発振器６９に加えて、データクロック補正回路２１から構成される。

ミキサ６４から出力される中間周波数の受信信号Ｃのオンの時間は、アンテナ帯域の逆数に等しい。さらに、アンテナ帯域がデータレートよりも桁違いに大きいことから、図３に示す信号例のように、オンオフ復調回路６７でオンオフ復調されたアナログ復調信号Ｄは「０」の状態が「１」の状態よりも桁違いに長くなる。ディジタル変換回路６８は、このようなアナログ復調信号Ｄを送信機のデータレートよりも高速なデータレートの高速ディジタルデータＥに変換して出力する。時間スケールを変えた送信データ、アナログ復調信号Ｄ、高速ディジタルデータＥの関係を図４に示す。

ここで、送信データの先頭には、図４に示すようにデータレート抽出用として「１」が複数個連続するデータレート抽出用データが付加される。受信機は、このデータレート抽出用データを用いてデータレートを抽出する。また、データレート抽出用データの末尾には、予め決めてあるビット列（例えば「１０」の５回繰り返し）を挿入しており、データレート抽出用データと後続するＩＤデータを区別している。

図５は、データクロック補正回路２１の処理例を示す。ディジタル変換回路６８は、送信データの先頭に付加される連続する「１」で表されるデータレート抽出用データを高速レートで復調すると、図５の例では約５ビットごとに「１」のビットを出力する。このため、データクロック補正回路２１は「１」のビットの間隔を計算してデータレートを抽出し、高速ディジタルデータＥを５ビットごとに区切ることを決定する。なお、初期状態では５ビットごとの区切りのほぼ中心に「１」のビットがくるように区切り位置を設定する。そして、予め決めてある末尾パターン（例えば「１０」の５回繰り返し）に対応する「００１０００００００」が例えば連続５回繰り返したら、以降はＩＤデータと判断する。そして、高速ディジタルデータＥを５ビットごとに区切り、その中に「１」のビットが含まれているかどうかを判断し、ディジタル復調データＦを生成する。

図５の例では、データレートが高速レートの整数分の１（１／５）になっているが、実数分の１になっていても同様の手法でディジタル復調データＦを生成することができる。

例えば、データレートＡ（ビット／秒）のアナログ復調信号Ｄが高速なレートＸ（ビット／秒）の高速ディジタルデータＥに変換された場合、高速ディジタルデータＥを整数近似した（Ｘ／Ａ）ビットごとに区切り、その中に「１」のビットが含まれているか否かを判断する。そして、「１」のビットが含まれている（Ｘ／Ａ）ビットに対して「１」、「１」のビットが含まれていない（Ｘ／Ａ）ビットに対して「０」のディジタル復調データＦを生成すればよい。すなわち、ディジタル復調データＦのｎビット目は、高速ディジタルデータＥの（(ｎ−１)Ｘ＋１）ビット目から（ｎＸ）ビット目の範囲に「１」のビットがあるか否かを判断する。（ｎＸ）等の数が整数でない場合は、最も近い整数で近似する。

本発明のアクティブ無線タグシステムの送信機（無線タグ）の実施形態を示す図。本発明のアクティブ無線タグシステムの受信機の実施形態を示す図。本発明のアクティブ無線タグシステムの各部の信号波形例を示す図。本発明のアクティブ無線タグシステムの各部の信号波形例を示す図。データクロック補正回路２１の処理例を示す図。従来のアクティブ無線タグシステムの送信機（無線タグ）の構成例を示す図。従来のアクティブ無線タグシステムの受信機の構成例を示す図。

符号の説明

１１データクロック用ディジタル発振器
１２送信データ作成部
１３カウンタ
１４アンテナ共振用ディジタル発振器
１５インバータ
１６アンテナ
２１データクロック補正回路
６１アンテナ
６２増幅器
６３発振器
６４ミキサ
６５ＰＬＬ
６６バンドパスフィルタ
６７オンオフ復調回路
６８ディジタル変換回路
６９水晶発振器

Claims

送信機（無線タグ）と受信機との間で微弱無線規格に基づく無線信号の送受信を行うアクティブ無線タグシステムにおいて、
前記送信機は、所定のデータレート（Ａビット／秒）の送信データを短時間のディジタル信号に変換してアンテナに供給し、短時間の電波パルスとして送信する構成であり、かつ前記送信データの先頭に前記データレートを抽出するための所定のデータレート抽出用データを付加して送信する構成であり、
前記受信機は、受信して復調したアナログ復調信号を前記データレートよりも高速なレート（Ｘビット／秒）の高速ディジタルデータに変換し、前記データレート抽出用データから前記データレート（Ａビット／秒）を抽出し、前記高速ディジタルデータのビット列を整数近似した（Ｘ／Ａ）ビットごとに区切り、その中に「１」のビットが含まれているか否かを判断し、「１」のビットが含まれている（Ｘ／Ａ）ビットに対して「１」、「１」のビットが含まれていない（Ｘ／Ａ）ビットに対して「０」のディジタル復調データを出力する構成である
ことを特徴とするアクティブ無線タグシステム。
請求項１に記載のアクティブ無線タグシステムにおいて、
前記所定のデータレート抽出用データは、連続した所定数の「１」と、その末尾を表す「１」と「０」の所定のパターンで構成され、
前記受信機は、前記データレート抽出用データに対応する高速ディジタルデータに含まれる「１」のビット間隔を計算して前記データレート（Ａビット／秒）を抽出し、さらに前記所定のパターンに対応するディジタル復調データを検出した後に前記送信データに対応するディジタル復調データを出力する構成である
ことを特徴とするアクティブ無線タグシステム。
請求項１に記載のアクティブ無線タグシステムにおいて、
前記アンテナに供給されるディジタル信号の供給時間は、アンテナ帯域の逆数で決定される時間以下であることを特徴とするアクティブ無線タグシステム。
請求項１に記載のアクティブ無線タグシステムにおいて、
前記データレートの値が微弱無線規格の電波強度を規定する帯域幅と等しいかまたは帯域幅より小さい
ことを特徴とするアクティブ無線タグシステム。
所定のデータレート（Ａビット／秒）の送信データを短時間のディジタル信号に変換してアンテナに供給し、短時間の電波パルスとして送信する構成であり、かつ前記送信データの先頭に前記データレートを抽出するための所定のデータレート抽出用データを付加して送信する送信機（無線タグ）と、受信機との間で微弱無線規格に基づく無線信号の送受信を行うアクティブ無線タグシステムに用いられる受信機において、
受信して復調したアナログ復調信号を前記データレートよりも高速なレート（Ｘビット／秒）の高速ディジタルデータに変換する手段と、
前記データレート抽出用データから前記データレート（Ａビット／秒）を抽出し、前記高速ディジタルデータのビット列を整数近似した（Ｘ／Ａ）ビットごとに区切り、その中に「１」のビットが含まれているか否かを判断し、「１」のビットが含まれている（Ｘ／Ａ）ビットに対して「１」、「１」のビットが含まれていない（Ｘ／Ａ）ビットに対して「０」のディジタル復調データを出力するデータレート補正手段と
を備えたことを特徴とするアクティブ無線タグシステムの受信機。
請求項５に記載のアクティブ無線タグシステムの受信機において、
前記送信機が前記送信データの先頭に付加する前記所定のデータレート抽出用データは、連続した所定数の「１」と、その末尾を表す「１」と「０」の所定のパターンで構成され、
前記データレート補正手段は、前記データレート抽出用データに対応する高速ディジタルデータに含まれる「１」のビット間隔を計算して前記データレート（Ａビット／秒）を抽出し、さらに前記所定のパターンに対応するディジタル復調データを検出した後に前記送信データに対応するディジタル復調データを出力する構成である
ことを特徴とするアクティブ無線タグシステムの受信機。