JP4630339B2 - 人体を介した信号伝送の方法、回路装置及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、特に人体自体を考慮に入れて、ユーザーの周囲の近距離範囲内で信号を伝送するために使用される方法及びユーザー側で携帯可能な回路装置に関する。本発明は、さらに、携帯可能なあらゆる回路装置を含めて構成されるシステムにも関し、特に、モバイル回路装置のためのリモート装置にも関する。

本明細書では、本発明は、以下に限定されるものではないが、特に、認証証明をもたらすためのユーザー側で便利に携帯される電子機器、キャッシュレス支払い処理及び利子起算日の決定処理のためのシステム、クレジットカードクレジットカードシステム、並びに、一般的なアクセス制御システム、自動車へのキーレス・アクセスシステム、その他のドアシステム、並びに、ユーザーの構成可能な環境を自動構成するためのシステムに関連する上記技術の利用に関する。

容量性又は静電相互作用原理に基づく信号伝送のためのアプローチ自体は既知である。これに関しては、本件出願人によって、すでに公開されている特許出願ドイツ公開特許第１０２，３８，１３４号、ドイツ公開特許第１０２，４５，１８１号、ドイツ公開特許第１０２，５２，５８０号、ドイツ公開特許第１０３，０５，３４１号及びドイツ公開特許第１０，２００５，０１３，００８号を参照されたい。以下により詳しく記載する詳細に先立ち、特に上記出願に記載の技術は、有利には、以下に詳細に記載する技術と組合わせて構成することができ、また、その点に関して得られる解決自体も本発明の対象であることに留意されたい。

物理的背景に関して
電流を通す動物及び人の体の特性は２００年以上も前の電気技術の始まりから知られている（例えばGalvaniの蛙の後足実験、１７８６年）。しかし、これに関する詳細な研究は、人体の電気抵抗（インピーダンス）をより正確に判定し、等価の代替図（図３）で示すモデルを開発する目的で、ほぼ１９６０年になって初めてＲ.及びＫ. Ｃｏｌｅにより生物学的な問題として行われた。この図３では、Ｒ１は細胞外液を、またＬは血管のインダクタンスを表している。細胞内の特性はコンデンサＣ及びその直列抵抗Ｒ２によって示されている。その際に、細胞構造並びに細胞内体液及び細胞外体液の電気的性質が考慮されている。この研究の成果によって、図３に記載の電気回路網をもたらした。

総じて２つの点ＡとＢとの間の人体は、周波数ｆに依存する複雑なインピーダンスＺｋ（ｆ）を呈し、その値は個人によってばらつきがある。さらに、この値は人体への給電点Ａ及びＢによっても左右される。

電気信号を伝送する人体の伝送特性に大きな影響を及ぼすその他のパラメータは、アースに対する人体の、約１００ｐＦであるキャパシタンスＣＥである。これによって、図４に示されている直線的な伝送モデルが生ずる。人体を介して、それにより伝送される信号の流れは極めて少ないので（＜１μＡの範囲）、この直線性は充分な精度であることを前提にすることができる。データ信号を伝送するために人体の電気特性を利用することは、１９８４年にすでに実現している（英国特許第２，１２９，１７６号）。また、これに関連する問題の研究はT. G. Zimmermanの修士論文の範囲内で１９９５年ＭＩＴにおいてなされている（T. G. Zimmerman著「パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）：短距離体内通信（Presonal Area Network（ＰＡＮ）： Near-Field Intra-Body Communication）」（M. S. thesis, MIT Media Laboratory, Cambridge, MA, 9/1995）。

Zimmermanは、人体の電界分布から出発して、ジェネレータから人体を介した容量結合によってデータを受信機に送信可能である伝送システムのモデルを開発した。したがって彼はこれを「パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）」と呼んだ。

この新規のテクノロジーの様々な用途については、一連の米国特許が出願されている。例えば、１９９７年１１月出願のE. R. Post他の、「電力及び情報の人体を介した送信のための方法及び装置（Metohd and Apparatus for Transbody Transmission of Power and Information）」と題する米国特許第６，２１１，７９９号、及び、１９９１年１月出願のJ. E. Brooksの「キーレス入力システム（Keyless Entry System）」と題する米国特許第５，２０４，６７２号。また、様々な結合条件の下での経験的な測定は、K. Partridge他著「変化する身体構造での人体内通信性能の経験的測定（Empirical Measurements of Intrabody Communication Performance under Varied Physical Configurations）」（スタンフォード大学出版（Vortrag an der Stanford University）、２００３年２月２６日刊）で実施された。このテーマの対象は、人体を介して電子機器をネットワーク接続する（ボディネット・テクノロジー）目的の、クイーンランド大学での学士論文（最優等コース）でもあった。

より最近のあらゆる研究に共通することは、送信側で電極を利用して伝送される信号を人体内で容量結合し、同様に受信側でも減結合するという原理である。その際に「電流回路」の帰路は、図５に示すように、送信機及び受信機のアース容量によって、又は、アース−電極間の直接的な容量結合によって形成される。

電磁波による無線伝送とは異なり、この場合は数デシメートルの極めて限定された伝送範囲の電界が利用され、これには実質的に無電源伝送であるという利点がある。その理由は、準静電界を、すなわち広義には静電界に該当する物理的アプローチに該当する電界をもたらす数百キロヘルツの比較的低い搬送波周波数を用いることができるからである。

本発明の目的は、上記の物理的相互作用原理に基づいて、すなわち、人体、特にこの技術のユーザー及び／又はその周囲を介した準静電界を利用して、必要ならばユーザー側で携帯される少なくとも１つのコンポーネントを利用して充分に信頼性がある信号伝送を可能にし、その際にユーザー側で携帯されるコンポーネントは全体的に見てエネルギー消費がわずかであること特徴とする解決策を提供することにある。

上記の課題は、本発明の第１の態様によって、ユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法であって、信号インターフェースとして発振回路に組み込まれたコンデンサ装置が使用され、発振回路は当該回路装置の動作中に受信モードでは並列発振回路として動作し、発振回路は送信モードでは直列発振回路として動作する方法によって達成される。

これによって、極めてわずかなエネルギー供給で受信モード中に上記の方法を実施するために備えられた回路を動作させることが可能となるという利点がある。対応する回路装置は、このことによって比較的小さいエネルギー蓄積装置によって長い期間にわたって機能状態に保たれる。

直列発振回路の接続は、好ましくは伝送器を含めて行われる。伝送器は、好ましくはコイル構成によって構成される。コイル構成は、これによって規定の電圧上昇を達成できるように構成される。また、回路装置は、信号インターフェースを構成するコンデンサ装置によって、受信モードと前記送信モードとで互いに時間をオフセットされるように構成される。

受信モード中にウェイクアップ信号が信号タップ装置を介して取得されてもよい。ウェイクアップ信号はデータ内容を有する、又は、あらかじめ特定の周波数及び強度の判断基準を満たすことによって実現可能である。ウェイクアップ信号は通信用の発振回路を備えた対話局によって生成可能である。

信号タップ装置に現れる対話局側で生成された信号、特にウェイクアップ信号は、搬送波を含むように生成される。信号タップ装置に現れる信号は、さらに、同期信号又はタイマー信号を含めることができる。好ましくは、搬送波は受信信号から新たに抽出されずに対話局側で利用される。回路装置は、送信モード中に次に変調方法、すなわち、ＡＳＫ、ＦＳＫ、ＰＳＫ又はＱＰＳＫの少なくとも１つに基づいて動作させることができる。

発振回路は、受信モード中には送信モード中とは別のインダクタンスで動作する。送信モード中に発信される信号は、先行する受信モード中に受信される信号内容に基づいて符号化又は調整されることができる。

別の通信コンポーネントとの重複を避けるため、受信モード中に受信される信号内容を介して、マイクロコントローラの処理によって、送信モード中に並列発振回路に印可される信号の時間位置の同期化又は同調を行うことができる。

本発明は、さらに、発振回路に組み込まれた信号インターフェースとして機能するコンデンサ装置を有する準静電相互作用に基づく信号伝送を処理するための回路装置であって、当該回路装置は、当該回路装置の動作中に、受信モード中は発振回路が並列発振回路として接続され、送信モード中は直列発振回路として接続されるように構成される回路装置自体にも関する。

発振回路は、好ましくは伝送器を含めてマイクロコントローラに接続され、受信モード中の発振回路のマイクロコントローラへの接続は高インピーダンス信号タップシステム（例えばコンパレータ）を介して行われる。

回路装置は、受動的な状態である受信モードから送信動作への機能的な切換えを、ポート回路又はインピーダンス回路において行うことができるように構成及び形成されることが好適である。

ポート回路又はインピーダンス回路の範囲内で、好ましくは直列に配置された２つのインダクタンスと並列コンデンサとを含む受信動作用に備えられた並列発振回路と、直列発振回路との交換がなされ、直列発振回路の状態は主として伝送器の外部にあるインダクタンス（直列に接続されるインダクタンス）と、信号インターフェースとして備えられたコンデンサとによって構成される。

送信時には、好ましくは、Ｌ２、Ｌ２から成る伝送器が電圧上昇の機能を果たし、一方、伝送器は受信動作中にはインダクタンスＬ２と共に上記並列発振回路の一部となる。

受信動作では、好ましくは、並列発振回路の共振周波数は送信時の直列発振回路の場合よりも低い。この限りでは、双方向伝送の両方向で異なる２つの周波数での動作が可能である。

特に、伝送器を含めて、又は、直列発振回路をマイクロコントローラに、若しくは、直列発振回路の中間段に直接接続することによって、データ内容をＱＰＳＫ変調に基づいて印可することが可能である。そのために必要な双方の直交搬送波を、伝送器の一次インダクタンスに加えることができる。

伝送器は、本発明の特別な態様によって、コイル構成によって構成される。コイル構成は、ガルバニック絶縁されたコイル対として、又は、タップ付きのコイルとして構成されることができる。信号タップ装置は、好ましくは高インピーダンスのコンパレータとして構成される。伝送器とマイクロコントローラとの間に、又は、直列発振回路とマイクロコントローとの間に直接に電圧上昇の役割を果たすレベルシフタを備えることができる。

並列発振回路は、好ましくは、受信動作中に伝送器の構成部品である第１のインダクタンスと、直列に接続された第２のインダクタンスとを含む。

伝送器は、好ましくは、第１のポート及び第２のポートを介してマイクロコントローラ又はレベルシフタに接続される。この接続は、好ましくは、間にコンデンサを挿入して行われる。

マイクロコントローラは、好ましくは、これが信号タップ装置で発生するイベントが所定の判断基準、特に情報内容を満たすかを検査するように形成及び構成される。

さらにマイクロコントローラは、好ましくは、これが受信モード中に受信される情報内容に基づいて、送信される信号の情報内容の同調、例えば符号化を実行するように形成及び構成される。

回路はクレジットカード状の構造に組み込まれることができる。コンデンサ装置の電極はその上に比較的大きい面積で形成可能である。信号インターフェースとして機能するコンデンサ装置の電極の面積は、通常は３〜２８ｃｍ²の範囲である。コンデンサ装置は、可能な限り大きい漏れ電界を生成するように形成することができる。そのために電極面は、平坦にオフセットされるか、又は、非同一平面に形成されることができる。電極面は周囲に対して高インピーダンスで絶縁される。

回路は、キー装置、特にキーヘッドに組み込まれることができることが好適である。

さらに、回路装置を日用品又は貴重品、例えばパームトップ又は携帯電話に組み込むこともできる。

本発明はさらに、伝送のための、前述のユーザー側で携帯される回路を備えた、対応するデータ伝送を行うための対話装置をも含んでいる。この対話装置は、より複雑なシステムの一部、例えば自動車の「インテリジェント」車載ネットワークの構成部品であることができる。

この対話装置は、これに向けて発信される信号の回路装置側での処理の際に、回路装置向きの信号伝送中に使用される搬送波を内部で考慮に入れることによって、受信信号から搬送波を抽出しなくても済み、又は補足的な認証目的に利用できるように構成されることができる。

対話装置は、自動車側の車載ネットワークの動作関連部分を構成することによって、例えばユーザー側の回路で発生される符号化された信号の伝送後のみに、特定の機能、例えば自動車のドアのロック状態の変更、エンジンの始動のような特定の機能を開始することができる。

対話装置は、例えばシート、ミラー、ハンドルの高さ、オートマ装置、温度調整装置、ルートプランニング装置及び／又はオーディオ装置のような自動車付属装置をユーザー個人向きに同調させるための自動車側システムの一部を構成することができる。対応する調整状態は、ユーザー側で携帯されるモバイル、例えばクレジットカード状の回路装置から送信されるデータに応じて引き起こすことができる。ユーザー側で携帯される回路装置の側で送信される信号に関して、ユーザーの特定のみを行うことも可能であり、その際にこのユーザー特定に基づいて必要な調整状態のさらに別の情報を別途入手することもできる。

本発明による回路装置の特別の魅力は、ポート切換えと組合わせた受動構造を介して、Ｌ２、Ｌ３及びＣ４から成る高インピーダンス並列発振回路を用いた受信動作から、Ｌ３及びＣ４から成る直列発振回路による送信動作への簡単な機能的切換えを実現可能であることにある。送信時には、Ｌ２、Ｌ２から成る伝送器は電圧上昇の機能しか有しておらず、一方、受信動作では伝送器はインダクタンスＬ２と共に並列発振回路の一部となる。受信動作において、並列発振回路の共振周波数は送信時での直列発振回路の場合よりも低いことによって、これも有利なことに、双方向伝送の両方向で異なる２つの周波数で動作することができ、相手局での送信機と受信機との間のクロストーク状態にとって好適である。

この構成のさらに別の重要な観点は、ＱＰＳＫの場合に必要な双方の直交搬送波信号を、簡単に伝送器の一次インダクタンスに追加できることである。

本明細書では、準静電相互作用という記述は、性質が基本的に静電界の性質に対応する電界に誘発される電磁界の相互作用であるものと理解されたい。このような準静電相互作用は、特に電極面に印加される電圧の周波数が、まだ１〜１．５ＭＨｚの範囲の拡散限界より低い場合に、電極面が２〜２５ｃｍ²の範囲にある電極の場合に発生する。

本発明のさらに別の態様によって、伝送される信号が送信側に関連する情報内容を基準にして送信側で生成され、電極装置によって人体内に容量結合される容量性相互作用に基づいて生体を経て信号伝送を行う方法であって、当該信号は休止期間によって互いに分離されるデータシーケンスを含むように生成され、当該情報内容はそれぞれのデータシーケンス内部の搬送波の変調によって体内に印可される方法が達成される。

このことによって、情報内容の伝送に必要な所要出力を低減することが簡単に可能になり、情報内容のデータシーケンス内で有利にユーザーの伝送状態に同調された高周波範囲で伝送可能となるという利点がある。

また、データシーケンスの長さの休止期間の継続時間に対する時間比率は、０．０５より小さく、特に０．０１より小さくすることが好適である。

また、データシーケンスの長さの休止期間の継続時間に対する時間比率が伝送される情報の量に応じて調整されることが可能であることが好適である。

本発明の特別の態様により、データシーケンス内の情報内容は、ＱＰＳＫ方式に基づく搬送波の変調によって人体内に印可される。

さらに、信号結合のために、複数の、好ましくは３つの、別個の電極装置を備えることが可能である。その場合、第１の電極装置に印加される電圧は、変調された搬送波の同相成分を呈することができる。第２の電極装置に印加される電圧は、その時間推移において変調された搬送波の直交成分に対応する。第３の電極装置に印加される電圧は、その時間推移において変調されない搬送波に対応する。

前述の３つの別個の電極装置を有する特別の形態の代替として、情報内容を共通の接続電極装置を介しても人体内に印可させることが可能である。好ましくは、この共通の接続電極装置には、同相成分及び直交成分の他に、搬送波も現れる。

好ましくは、搬送波の周波数は、統計的に高い確率で見られる一般的なユーザーの伝送特性のうち、高い伝送品質をもたらす値に定められる。さらに好ましくは、搬送波の周波数は、それが用いられる態様で発生する干渉周波数に対して可能な限り大きなＳ／Ｎ比となるように調整される。

搬送波の周波数は、ユーザーの伝送特性に適して調整されるように送信システムを構成することができる。

好ましくは、搬送波の周波数は１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲内にある。

冒頭に記載の課題は、本発明のさらに別の態様によって、上記の方法に基づいて信号を人又はユーザーに印可するための送信装置によっても解決される。

この送信装置は、好ましくは、同相成分、直交成分、及び好ましくはＱＰＳＫ変調によって発生する信号の搬送波が現れる少なくとも１つの電極装置を備えている。

送信装置は、直交成分、同相成分及び搬送波にそれぞれ割り当てられた３つの電極装置を備えることもできる。

送信装置は、好ましくは、その電極装置も含めてカード状の基体或いは人体又はユーザーの衣服／カバン又はその他のユーザーに取り付けられるか若しくはユーザーが携帯する、物品（時計、携帯電話、ＰＤＡ；（携帯製品））に組み込まれる。

送信装置は、好ましくは、例えばバッテリ（フラットバッテリ）及び／又はキャパシタ（例えばゴールドキャップ）及び／又は太陽電池の形式の電圧供給ユニットを備える。

本発明は、さらに、上記の変調方法に基づいて生成されるか、又は、上記の送信装置によって人／ユーザー印可して伝送される信号を受信するための受信装置にも関する。

本発明の詳細及び特徴は、図面を参照した以下の説明によって明らかにされる。

図１に示された構成は、ここでは詳細には図示しないが、送信電極装置及び受信電極装置を備えた対話局との伝送において、電界を利用した人体を介するデータ信号の双方向伝送の役割を果たす。これによって、本発明によって、送信機能及び受信機能は、これらの回路によって電界が人体に作用する場所において保証される。

１．送信機能
送信機能の場合は、マイクロコントローラは、ポート１（Ｐ１）及びポート２（Ｐ２）から、搬送波周波数のためのＡＳＫ、ＦＳＫ、ＰＳＫ又はＱＰＳＫのような様々な変調方式でのデータ伝送を実現するための信号を生成する。

ＡＳＫ、ＦＳＫ、及びＰＳＫの場合は、好ましくはＰ１だけで、振幅、周波数又は位相がデータ信号によって変更される搬送波が生成される。ＱＰＳＫの場合は、９０°変位された第２の搬送波が生成される。これは、Ｐ１で生成された搬送波に対して２７０°移相された信号がＰ２で生成され、これが減結合の後にコンデンサＣ１及びＣ２を介して一次インダクタンスでの電圧差ｕＰ１−ｕＰ２をもたらすことによって生成される。それによって、図２に示すように、複素平面で双方の搬送波成分のベクトル加算が生じることによって、次にＱＰＳＫを用いる場合に必要な４つの位相位置のすべてを生成することができる。

上記の電圧差は一次インダクタンスＬ２を有する搬送波の一次側に現れ、二次側でＬ３及びＣ４から形成される直列発振回路に給電する。この回路を流れる電流は、次に、第１の共振周波数ｆ０１＝（２π×Ｌ３×Ｃ４）＾（−１／２）の場合に、信号電極によって形成されるコンデンサＣ４で高電圧を発生する。この電圧によって信号伝送に有効な電界（近傍電界）が生成される。

受信機能に必要なコンデンサＣ３は、搬送波周波数用の交流短絡を形成する。この配置に使用される伝送器は、可能なあらゆる変調方式で、適宜の変換比Ｌ２／Ｌ１の選択によって電圧増幅器としても作用することが好適である。伝送器は、レベルシフタ（ここでは詳細には記載せず）を介してマイクロコントローラに接続することが可能である。

特定のデータ伝送速度に必要な前記構成の帯域幅は、好ましくはＰ１とＰ２とに作用する出力インピーダンス及びインダクタンスの品質係数によって規定され、これらは例えば、使用される線の太さ及びコア材料によって調整することができる。

２．受信機能
図１に示されている配置は、すでに能動状態にないポートＰ１及びＰ２が高インピーダンス状態に切換えられることによって、伝送器の一次側に無負荷状態が生じ、その結果、インダクタンスＬ２が実質的に無効になることによって、受信モード状態が達成される。ユーザーの身体、又は、その極めて近傍の周囲にある別の送信局から逆方向にコンデンサＣ４の電極へと交番電場が作用すると、その影響によって受信電圧が発生する。この電圧は、この状態によってバンドパスとして実施されるフィルタによって、通常はこれも人体を介して作用する干渉電圧から大幅にフィルタリングして除去される。このフィルタはコンデンサＣ４と連係して双方のインダクタンスＬ２及びＬ３から並列共振回路として形成され、そこに受信電圧が印可され、マイクロコントローラの第３の高インピーダンスポートＰ３に送られる。受信モード中は、マイクロコントローラの内部でコンパレータの機能が起動される。コンデンサＣ３を介して、コンパレータの内部の基準電圧に対応する直列電圧ｕ０が印加される。

Ｃ４が逆向きの信号を受信すると、この信号は並列発振回路及びコンパレータによって検知され、マイクロコントローラで再処理されることによって、その後、双方向の伝送が可能になる。このようにして第２の送信局から発信され、当該回路によって受信される信号は、マイクロコントローラが電流節減を理由とするスリープモードから目覚め、そこでより大きい電流消費を必要とする送信機能を起動するためにも利用できる。この観点はとりわけ、バッテリ動作により構成される場合に特に重要である。

本発明による図１の構成のさらに大きい利点は、このことによって２つの局を同期化できることであり、ＰＳＫ及びＱＰＳＫの場合は、送信機と受信機とが互いに同期した搬送波で動作しなければならないので、そのことはこれらの変調方式の場合に特に必要である。そのために受信機能内のＬ２、Ｌ３及びＣ４から形成される並列発振回路の共振周波数ｆ０２に同調される搬送波が相手局から送信され、このことによってＣ４に最大受信電圧が発生する。この周波数は、インダクタンスＬ２＋Ｌ３をより高くすることによって送信機能の場合よりも低い。好ましくは、この周波数は例えばＬ２の適宜の寸法規格によって、送信時に選択された第１の共振周波数ｆ０１の半分の大きさになるように選択される。その後マイクロコントローラによって、送信時の周波数増倍により簡単に双方の送信局の同期化が達成できる。したがって、第１の局はｆ０２＝ｆ０１／２で送信し、ｆ０１で受信する。一方、相手局はｆ０１で送信し、ｆ０２で受信する。

全体として、本発明による配置で人体を介したデータ伝送に際して特に以下の効果を達成できる。
１． 伝送器を使用することによって放射される電界が高くなる。このことによって受信側の干渉信号に対する耐性が高まる。
２． ユーザー側で携帯されるコンポーネントはマイクロコントローラのウェイクアップ信号によって初めて起動される。スリープモードの間は、場合によってはマイクロコントローラの出力は極めて小さいので、バッテリ動作の場合に電流節減が可能である。この利点は身体によって保持されるいわゆるスマートカードによって本発明を利用する場合に特に重要である。
３． 受信の際の必要な同期変調のためにＰＳＫ変調又はＱＰＳＫ変調によって双方向のデータ伝送を行う場合に、２つの局の同期化が可能である。

図６及び図７に記載の回路は、図１の実施形態とほとんど同様である。しかし、図６及び図７に記載のこの変化形態の場合は、直列発振回路の接続は伝送器なしで行われる。

図６に記載の回路は、さらに、特に受信信号システムがマイクロコントローラの受信信号ポートＰ３’の前に配置されている点で図１の変化形態とは異なっている。このシステムは、例えばコンパレータ、コンパレータを有する増幅器、又はウェイクアップ信号受信機から成ることができる。受信信号システムを保護するために、好ましくは、例えば直列抵抗と逆並列接続されるダイオードとから成り、受信システムの入力の前に配置された保護回路が備えられる。しかし受信信号システムを、図１の変化形態の場合のように、さらにマイクロコントローラの構成部品として実施することもできる。

図７に記載の回路の場合は、送信動作中は直列発振回路の制御はステップアップコンバータを投入して行われる。

マイクロコントローラの双方の出力（図６）又は下位のコンバータ（図７）には、好ましくはそれぞれ２つの搬送波信号が印加され、その位相位置は選択された変調方式に応じて異なる場合がある。位相位置には次の分類が当てはまる。
ＦＳＫ（周波数偏移変調）及びＰＳＫ（位相偏移変調）の場合：１８０°
ＱＰＳＫ（四位相偏移変調）の場合：９０°

本発明による回路装置は、例えばユーザー側で携帯されるキーレス・アクセスシステムのコンポーネントとして使用することができる。自動車の分野での対応する例を以下に記載する。

例として記載するシステムは、自動車側に備えられ、車載ネットワークに組み込まれたシステム部分、及び、場合によってはそれぞれユーザー側で携帯されるモバイルアクセス回路を含む。

モバイルアクセス回路は、例えばクレジットカード状のケース、自動車のキー、又は、場合によってはユーザー側で携帯される別の物品、例えば携帯電話に組み込まれる。

モバイルアクセス回路を携えたユーザーが自動車に接近すると、自動車側のシステム部分から送信されるウェイクアップ信号がコンデンサＣ４を介してモバイルアクセス回路側に備えられた並列発振回路に入る。その際にウェイクアップ信号は高インピーダンスのコンパレータポートＰ３に達する。その範囲でマイクロコントローラに現れる信号は信号処理の検査のために用いられる。信号処理の検査はマイクロコントローラの対応する構成によって確定される。Ｐ３で発生したイベントが特定の判断基準を満たすと、マイクロコントローラは出力信号の情報内容を確定し、伝送器（コイル構成Ｌ２、Ｌ２）内のそれぞれの送信ポートＰ１、Ｐ３での所定の変調によって信号を印可する。この信号の印可の範囲内で、コンデンサＣ４には印可された信号に基づいて交番電場が発生する。この交番電場に誘発される空電作用は自動車側の受信システムによって処理され、これも例えば情報内容の評価のような信号処理の検査に用いられ得る。

モバイルアクセス回路によって段階的に発信され、マイクロコントローラによって確定される情報内容を帯びた信号が、受信されるウェイクアップ呼び出しに対して特定の時間関係をもつようにモバイルアクセス回路を構成することが可能である。許容されるもの、又は適当であると分類された複数のウェイクアップ信号又はウェイクアップ信号シーケンスに達した後で初めて、モバイルアクセス回路が信号発信を誘発するように配置を構成することが可能である。ウェイクアップ信号シーケンスはモバイルアクセス回路側での情報の符号化、及び、信号の同期化のためにも用いることができる。

自動車側のシステム部分の領域で、モバイルアクセス回路側で送信された信号が受信されると、直ちに、これが評価された後の経緯、例えばロック状態の変化、又は機能の解除を行うことができる。

本発明による方法に基づき、また本発明によるコア回路を使用して伝送可能な信号にその他の多くの工程を施すことができる。本発明による回路は特に、信頼できるものとして分類可能なウェイクアップ信号の呼び出しの後に情報を用意し、これを送信するのに適している。

本発明はさらに、ユーザー側で携帯される複数のモバイル回路の間で、データ伝送を行うためにも使用できる。このことによって、特にユーザーの装備状態を検知するシステム、及び、物体の現状分析のためのシステムを実現することができる。複数のモバイル回路装置によって人体の近傍に設置されたネットワーク内部で、自己構成、特に対話プロトコルの調整が行われるようにマイクロコントローラを構成することが可能である。

本発明によって提案される直線変調方法ＱＰＳＫ（四位相偏移変調）変調により、本実施例では以下の利点を有する人体を介したデータ伝送が可能になる。
１． 最高の帯域幅効率（ビット伝送速度／Ｈｚ帯域幅あたり）
２． 同等のＳ／Ｎ比でのＢＥＲ値（ビット／エラー率）が大幅に低い。
例えばＳ／Ｎ比＝１０ｄＢの場合、約１００分の１
３． 送信機の消費電流を低減することが可能。

これまでに記載のＱＰＳＫ変調の使用形態の重要な利点は、回路技術上高価なコスタスループを必要することなく、着信信号から再生可能な同期搬送波を受信側で復調のために利用できることにある。本発明の概念によって、送信側だけではなく受信側でも低コストで実現可能で、且つ、特に送信側でわずかな出力で生ずる回路構造によって情報の伝送を行うことが可能である。このことは特に、送信機がクレジットカードの大きさの平坦な「スマートカード」上に実施される場合に、実用にとって極めて重要な観点である。データ生成器及び変調器の機能にとって必要な部品の数が少ないほど、消費電流及び製造コストが少なくなる。

提案されている概念を図４を参照してより詳細に説明する。

同相成分及び直交成分並びに搬送波を、図示のように共通の電極装置に供給可能である。送信機の構造を特に簡単に保つために、ＱＰＳＫに必要な搬送波の同相成分及び直交成分をマイクロコントローラによって別個に生成し、ＬＣネットワークを介して直接、共通の又はその代替として別個の信号電極に供給可能である。さらに別の信号として、（変調されない）搬送波は、共通の、又は、第３の信号電極に給送される。ユーザーの人体内での双方の信号成分及び搬送波の加算は、別個の信号電極を用いる際に、遅くとも前述の容量性結合によって増幅器の信号電極の入力により行われる。

上記の手段によって送信機の構造は特に簡単になり、他方では、好ましくはそれぞれがＥＸＯＲ機能及び接続される低域フィルタリングによって２つのコンパレータ及びステージを介して実現される、受信側に必要なＩ成分及びＱ成分の同調変調用の搬送波を得ることができる。その際にＥＸＯＲ機能は、ＰＬＬ及び９０°位相偏移によって得ることができる同期変調に必要な双方の直交搬送波との乗算を行う。

さらに別の２つのコンパレータによるレベル変換の後、Ｉ成分及びＱ成分の送信されるデータ信号は、マイクロコントローラ内で復号される。好ましくは、ＰＬＬから供給されるロック検知信号は伝送の中断状態において、電流を節約し、共通の復号工程を遮断する。

ＱＰＳＫシステムは、好ましくは、最新のマイクロコントローラを使用する場合に、受信側でデータの復号に必要なすべてのアナログ機能及びデジタル機能を（場合によってはＤＳＰを有する）単一のコントローラＩＣ内に実施可能であり、このことによってハードウエアのコスト及び製造コストを最小限に抑えるように設計される。送信機の所要電流にとって重要な従来の変調方式と比較したＱＰＳＫ方式の利点は、匹敵する搬送波振幅でＬＣネットワークを介して伝送されるビット伝送速度を高い干渉耐性で明らかに高めることができ、このことによりパルス式動作の場合にバッテリの電流負荷が低いことにある。

本発明によるシステムの特徴は、製造工程において送信機も受信機も低コストで製造できるとともに、人体を介したデータ伝送の干渉耐性が高いことにある。

人体を介したデータ伝送の際のアンテナとして作用する人体自体を介して、又は、動作機械を使用する場合は、固有干渉によって過度の干渉が発生することがあるので、好ましくは干渉に強い変調方式を選択することの他、重要な用例では、チャネル符号化による補足的な保護が行われる。

人体による伝送の場合、好ましくはエラー修正方式が選択されることによって、（エラー検知方法に必要な）逆方向チャネルをなくすことができる。符号化方式は、好ましくは起こりうると予測される干渉の特性に合わせて調整される。

伝送プロトコルでは、好ましくは事前に先ず例えば５０％の符号冗長性が備えられ、これは次に、実践的な研究によって得られた知識に基づいて適応化された符号化によって縮減することができる。エラー修正を含むチャネル符号化開始の第１段階として、パリティー検査（ＶＲＣ／ＬＲＣ符号化）によるブロック保護を利用することができ、このことによって符号語の長さが増倍される。このことによって極めて簡単なアルゴリズムにより符号語の簡単なエラーを修正することができ、このことによってビット改ざんの残余エラーの確率は約１０³だけ改善される。

特に短期で発生する障害（バーストエラー）を有効に修正できる、例えばＲＳ（リードソロモン）符号のようなチャネル符号化を実施することも可能である。

本発明の方式のように、変調された搬送波がバースト動作で送信されることにより、コンパクトなバッテリ装置であっても、バッテリ動作による送信装置は、約１〜２年の比較的長いバッテリ寿命を達成することが可能になる。エネルギー消費は、使用される符号語の長さが短いほど、又は、約２０Ｋビット／ｓの値が提案される達成可能なビット伝送速度が高いほど軽減される。バースト反復期間が２００ｍｓである場合は、（チャネル符号化を含めた）符号語の走査比が１：１００の場合、４０ビットで伝送可能である。

送信機は特に、クレジットカードの大きさの平坦なカード（スマートカード）上に形成することができる。上記のバッテリ問題の他に、図５に示された基本原理に基づく信号電極及びＬＣネットワークの正確な構造が特に重要である。

ここでは、特にインダクタンスの部品許容差（通常±５％）を充分に考慮するため、このような許容差の影響を軽減するために、同じ大きさの送信電圧で品質値を下げることなくＬＣネットワークの帯域幅がより広くなるように基本構造を修正することが好適である。信号電極の構造及び大きさの確定は、電極から発生する電界の分布が受信機での信号の振幅を基本的に規定するので、経験的に、人体を介した最適な信号の結合及び減結合に関する研究と結び付けて行うことができる。人体の近傍に携帯されるカード、例えば身分証明カード又はクレジットカード、及び、キーレス・アクセスシステムのためのカードの場合は、電極は、好ましくはカード素子の主表面のほとんどの部分にわたって延在させる。

マイクロコントローラの作用で形成される半二重伝送用に備えられた本発明による電子回路の好ましい実施形態の回路図である。 ＱＰＳＫ変調に基づく信号伝送を示す図面である。 人体抵抗の等価回路である。 人体の伝送モデルである。 人体伝送システム用の等価回路図である。 マイクロコントローラの受信信号入力ポートの前に配置され、信号増幅及び信号レベル制限の役割を果たすアラーム回路を有する、マイクロコントローラの作用で形成される半二重伝送用に備えられた本発明による電子回路の特に有利な第２の実施形態の回路図である。 本発明による回路案の送信出力を高めるためのさらに別の手段を示すための回路図である。 さらに別の送信機及び受信機の構造図である。 送信機の構造のさらに別の図面である。

Claims (40)

1. ユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法であって、
   前記回路装置は、
   前記準静電相互作用を生ずる信号インターフェースとして機能するコンデンサ装置（Ｃ）とインダクタンス装置（Ｌ）を環状に接続して備えた発振回路と、
   前記発振回路を介して信号を送信するため前記インダクタンス装置に接続された２ポート（Ｐ１，Ｐ２）と、前記コンデンサ装置からの信号を受信するために該コンデンサ装置に接続された入力端子（Ｐ３）とを含む、ポート回路又はインピーダンス回路を有するマイクロコントローラとを備え、
   信号を受信するための受信モードでの該回路装置の動作中には前記発振回路が並列発振回路として動作し、信号を送信するための送信モード中は前記発振回路が直列発振回路として動作し、前記２ポートは前記信号を送信するために相異なるそれぞれの信号成分を送信することを特徴とするユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法。
2. 前記発振回路は、前記受信モード中に信号タップ装置（例えばコンパレータ）に高インピーダンス結合された状態に切換えられることを特徴とする請求項１に記載のユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法。
3. 前記直列発振回路のマイクロコントローラへの接続は、伝送器として機能するコイル構成によって行われることを特徴とする請求項１又は２に記載のユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法。
4. 前記受信モードと前記送信モードとは互いに時間がオフセットされていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法。
5. 前記受信モード中にウェイクアップ信号が前記信号タップ装置を介して取得されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法。
6. 前記信号タップ装置に現れる信号が搬送波を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法。
7. 前記信号タップ装置に現れる信号が同期信号又はタイマー信号を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法。
8. 前記回路装置は、前記送信モード中に、次の変調方法、すなわち、ＡＳＫ、ＦＳＫ、ＰＳＫ又はＱＰＳＫのいずれか１つに基づいて動作することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法。
9. 前記発振回路は、前記受信モード中には前記送信モード中とは別のインダクタンスで、すなわち別の共振周波数で動作することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法。
10. 前記送信モード中に発信される信号は、前記受信モード中に受信される信号内容に基づいて符号化又は調整されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法。
11. 前記受信モード中に受信される信号内容を介してプロトコル定義が行われることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法。
12. さらに別の通信コンポーネントとの重複を避けるため、前記受信モード中に受信される信号内容を介して時間的位置の同調及び／又は前記送信モード中に前記発振回路に印可される信号の同期化が行われることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のユーザー側で携帯される回路装置を使用して準静電相互作用に基づいて信号を伝送するための方法。
13. 準静電相互作用に基づく信号伝送を処理するための回路装置であって、
    前記準静電相互作用を生ずる信号インターフェースとして機能するコンデンサ装置（Ｃ）とインダクタンス装置（Ｌ）を環状に接続して備えた発振回路と、
    前記発振回路を介して信号を送信するため前記インダクタンス装置に接続された２ポート（Ｐ１，Ｐ２）と、前記コンデンサ装置からの信号を受信するために該コンデンサ装置に接続された入力端子（Ｐ３）とを含む、ポート回路又はインピーダンス回路を有するマイクロコントローラとを備え、
    信号を受信するための受信モードでの該回路装置の動作中には前記発振回路が並列発振回路として動作し、信号を送信するための送信モード中は前記発振回路が直列発振回路として動作するとともに、前記２ポートは前記信号を送信するために相異なるそれぞれの信号成分を送信するように構成されることを特徴とする回路装置。
14. 前記受信モード中の前記発振回路の前記マイクロコントローラへの接続は高インピーダンスの前記入力端子への接続によって行われることを特徴とする請求項１３に記載の回路装置。
15. 前記回路装置は、受動的な状態である前記受信モードから前記送信モードへの機能的な切換えを、前記ポート回路又はインピーダンス回路の切換えによって行うことができるように構成及び形成されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の回路装置。
16. 前記ポート回路又は前記インピーダンス回路切換中に、インダクタンスＬ２、Ｌ３、コンデンサＣ４又はインダクタンスＬ２、Ｌ３'、Ｌ３"及びコンデンサＣ４から成る送信動作用の並列発振回路を、Ｌ３及びＣ４若しくはＬ３'、Ｌ３"及びＣ４から成る特に受動的な受信動作用の直列発振回路に変換できることを特徴とする請求項１３から１５のいずれか１項に記載の回路装置。
17. 前記インダクタンス装置に含まれるインダクタンスＬ１、Ｌ２から成る伝送器は送信の際に電圧上昇の機能を果たし、一方、該伝送器は受信動作中にはインダクタンスＬ２が前記並列発振回路の一部でもあることを特徴とする請求項１３から１５のいずれか１項に記載の回路装置。
18. 送信の際にレベルシフタは前記電圧上昇の機能を果たし、一方、前記受信動作中は高インピーダンス状態にあり、また送信サイクルの終了時に、前記マイクロコントローラによる前記高インピーダンス状態への切換えが行われることを特徴とする請求項１３から１７のいずれか１項に記載の回路装置。
19. 前記受信動作中は、前記並列発振回路の共振周波数は、送信時の前記直列発振回路の場合よりも低く及び／又は双方向伝送の両方向で異なる２つの周波数で動作することを特徴とする請求項１３から１８のいずれか１項に記載の回路装置。
20. ＱＰＳＫ変調の際に必要な双方の直交搬送波信号が前記マイクロコントローラによって前記２ポートのポートＰ１及びポートＰ２で生成されることを特徴とする請求項１３から１９のいずれか１項に記載の回路装置。
21. ポートＰ１及びＰ２で発信される前記搬送波信号は前記直列発振回路に加えられることを特徴とする請求項１３から２０のいずれか１項に記載の回路装置。
22. 前記伝送器はコイル構成によって構成されることを特徴とする請求項１３から２１のいずれか１項に記載の回路装置。
23. 前記伝送器はガルバニック絶縁されたコイル対として構成されることを特徴とする請求項１３から２２のいずれか１項に記載の回路装置。
24. 前記伝送器はタップ付きのコイルとして構成されることを特徴とする請求項１３から２３のいずれか１項に記載の回路装置。
25. 前記マイクロコントローラへの前記直列発振回路の接続は、間にレベルシフタを挿入することによって行われることを特徴とする請求項１３から２４のいずれか１項に記載の回路装置。
26. 前記マイクロコントローラへの前記直列発振回路の接続は、コンデンサＣ１、Ｃ２を介して接続されることを特徴とする請求項１３から２５のいずれか１項に記載の回路装置。
27. 前記信号タップ装置はコンパレータとして、又は、増幅器とコンパレータとの組合せとして、又は、アラーム受信機として構成される受信システムを含むことを特徴とする請求項１３から２６のいずれか１項に記載の回路装置。
28. 前記受信システムの能動コンポーネントの入力部に直列抵抗（ＲＳ）と逆並列に接続される２つのダイオードとから成るリミッタ回路が備えられることを特徴とする請求項１３から２７のいずれか１項に記載の回路装置。
29. 前記コンパレータはマイクロコントローラの一部を構成することを特徴とする請求項１３から２８のいずれか１項に記載の回路装置。
30. 前記並列発振回路は前記伝送器の構成部品である第１のインダクタンス（Ｌ２）と、第２の直列に接続された第２のインダクタンス（Ｌ３）とを含むことを特徴とする請求項１３から２９のいずれか１項に記載の回路装置。
31. 前記伝送器は第１のポート及び第２のポートを介してマイクロコントローラに接続されることを特徴とする請求項１３から３０のいずれか１項に記載の回路装置。
32. 前記接続は、間にコンデンサ及びレベルシフタを挿入して行われることを特徴とする請求項１３から３１のいずれか１項に記載の回路装置。
33. 前記マイクロコントローラと前記伝送器との前記接続は、レベルシフタ（電圧上昇のためのレベル変換器）を組み込んで行われることを特徴とする請求項１３から３２のいずれか１項に記載の回路装置。
34. ＱＰＳＫ方式に基づいて送信信号を生成するために前記回路装置を構成する際に、前記伝送器を接続するために備えられた各々のポートには電圧上昇の役割を果たす回路（レベルシフタ）が備えられることを特徴とする請求項１３から３３のいずれか１項に記載の回路装置。
35. 前記マイクロコントローラは、これが前記信号タップ装置に関連する事象が所定の判断基準、特に情報内容（例えばデータ）を満たすことを検査するように形成及び構成されることを特徴とする請求項１３から３４のいずれか１項に記載の回路装置。
36. 前記マイクロコントローラは、これが前記受信モード中に受信される情報内容（例えばデータ）に基づいて、送信される信号の該情報内容の同調（例えば符号化）を実行するように形成及び構成されることを特徴とする請求項１３から３５のいずれか１項に記載の回路装置。
37. クレジットカード状の構造に組み込まれることを特徴とする請求項１３から３６のいずれか１項に記載の回路装置。
38. キーに組み込まれることを特徴とする請求項１３から３７のいずれか１項に記載の回路装置。
39. 日用品、特にその交換可能なコンポーネント（例えばバッテリカバー）に組み込まれることを特徴とする請求項１３から３８のいずれか１項に記載の回路装置。
40. 貴重品に組み込まれることを特徴とする請求項１３から３９のいずれか１項に記載の回路装置。

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