JP4685960B2 - リーダー - Google Patents

Description

本発明は、ＲＦＩＤシステムに適用可能のリーダーに関する。

質問器から応答器に向けてキャリア信号を送信し、応答器から反射（バックスキャタ）される前記キャリア信号を受信し、反射キャリア信号に含まれる変調信号成分を応答器からの情報データとして処理するＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムが種々の用途に採用されている。

ここで、上記リーダーは、リーダライタ（ＲＷ）と呼ばれるＲＦＩＤ用送受信装置（以下、適宜リーダーという）である。また、応答器は、種々の形態が使用されるが、その一つとしてＩＣタグとして使用される。

さらに、ＲＦＩＤシステムは、タグとの通信に用いる周波数帯を他のＲＦＩＤ用受信装置（リーダー）または他の通信装置と共用して使うため、衝突を避けるために送信前に他のシステムが自身の使用予定周波数を使用していないことを確認しなければならない。これをキャリアセンスという。

図１は、キャリアセンスを更に説明する図である。送信準備中のＲＦＩＤ用送受信装置１Ａは、送信に先立って、既にＩＣタグ１Ｃと通信中である他のＲＦＩＤ用送受信装置１Ｂの存否を、ＲＦＩＤ用送受信装置１Ｂと、ＩＣタグ１Ｃ間で送受しているキャリア信号の有無を検知することによって判定する。

図２は、ＲＦＩＤ用送受信装置（リーダー）の一構成例である。図示しないデータ処理装置に外部インターフェースＩ／Ｆを通して接続される制御処理回路１０は、局部発振回路１１を制御して、使用チャネルに対応する局部発振信号を発生させる。

すなわち、図３に示すように、ＲＦＩＤシステムとして、例えば、２ＭＨｚの周波数帯域に複数のチャネル（図３の例では１０チャネル）を配置する。制御処理回路１０により、この複数のチャネルのうち、一のチャネルに対応する周波数の局部発振信号を局部発振回路１１から出力するように制御する。

かかる図２に示すＲＦＩＤ用送受信装置の構成において、キャリアセンスを行う際は、送信回路１２からの送信出力を止めて、他のＲＦＩＤ用送受信装置が自身の使用予定（チャネル）周波数を使用していないことを確認する。

この際、受信回路１４に、局部発振回路１１から出力される局部発振周波数に対応する使用予定周波数のキャリア信号が入力されると、受信復調信号が制御処理回路１０に出力される。制御処理回路１０は、受信回路１４からの受信復調信号を受け、キャリア信号が既に存在するチャネルは使用不可として、空きチャネルを探索できるまで局部発振回路１１から出力する局部発振信号の周波数を順次シフトする。

このようにして、空きチャネルが探索されると、図４に示すように、ＲＦＩＤ用送受信装置はタグとの間で、キャリアセンス（ＣＳ）期間Ｐ１に続き、通信期間Ｐ２において探索された空きチャネルのキャリア周波数により通信を行う。送信回路１２は局部発振信号発生回路１１から出力されるキャリア周波数信号をコマンド信号により変調し、送受共用器１３を通して送受共用アンテナ１６から放射する。

これに対し、対応するタグは、受信したキャリア周波数信号を情報データで変調し、応答信号として前記ＲＦＩＤ用送受信装置に返送する。ＲＦＩＤ用送受信装置は、返送された応答信号を復調して情報データを取得する。

このようにして、ＲＦＩＤ用送受信装置はＩＣタグとの通信を実行するが、特定のＲＦＩＤ用送受信装置が特定のキャリア周波数で通信を占有することは好ましくない。したがって、送信時間（期間Ｐ２）を制限して、一定時間経過したらチャネルを空けるように制御する。

ここで、上記の受信回路１４の構成として図５に示すＤＣ直結型受信系（図５Ａ）あるいは、ＡＣ結合型受信系（図５Ｂ）の構成が想定される。

キャリアセンス期間（図４、Ｐ１）において、他のシステムが使用予定周波数を使用して通信を行っているとする。このとき、受信回路１４を構成する復調器１４０に入力する、通信中の他のＲＦＩＤ用送受信装置（例えば、図１の１Ｂ）のキャリア信号の周波数は（ｆ_L0＋Δｆ）である。ここで、周波数ずれΔｆは、送信準備中のＲＦＩＤ用送受信装置（例えば、図１の１Ａ）と通信中のＲＦＩＤ用送受信装置１Ｂにおける局部発振回路１１が独立に基準発振源を持つことに起因する周波数差である。

図５Ａに示す受信回路１４の構成では、局部発振回路１１の出力（周波数ｆ_L0）と周波数（ｆ_L0＋Δｆ）の受信信号が復調回路１４０で混合される。この時、復調回路１４０の出力側にΔｆの周波数ずれ成分が現れる。したがって、このΔｆの周波数成分は、増幅器１４１で増幅され、ローパスフィルタ１４２を通り、アナログ／デジタル変換器１４３により対応するデジタル信号に変換されて制御処理回路１０に入力する。

これにより、Δｆが“０”に近い周波数成分であっても制御処理回路１０で認識可能であり、他のＲＦＩＤ用送受信装置で該当チャネルを使用中であることが検知される。

ここで、ＩＣタグとしてパッシブ型のタグは、動作電力（電源エネルギー）をＲＦＩＤ用送受信装置の送信電波から得るため、ＲＦＩＤ用送受信装置は大きな送信電力が必要である。これに対し、ＩＣタグからの応答送信は反射（バックスキャタ）により行うために、ＲＦＩＤ用送受信装置の送信電波の電力に対して微弱である。

このように、通信相手がパッシブタグであるＲＦＩＤ用送受信装置は、ＩＣタグに電源用エネルギーを供給するために高出力であることが必要であり、同時に、ＩＣタグからの反射信号が微弱であるために、高感度受信機能を有するものでなければならない。

また、ＲＦＩＤ用送受信装置において、送受信で別個のアンテナを備えることは、コスト、大きさの面で好ましくない。このために送受共用アンテナ１６が用いられる。このため、共通アンテナ１６に接続される、送信及び受信信号の方路を切り換える送受共用器１３が備えられる。送受共用器１３により、送信回路１２からのキャリア信号はアンテナ１４側に送出され、アンテナ１４で受信したＩＣタグからの反射信号は、受信回路１４に導かれる。

かかるＲＦＩＤシステムに関連する発明として、例えば、特許文献１及び、特許文献２に示されている。

特許文献１に記載の発明は、ＲＦＩＤシステムにおいて、タグ(transponder)からの情報送信におけるノイズの低減を目的として、複数の連続する復調段によりキャリアを変調する構成を示している。

また、特許文献２に記載の発明は、タグ(transponder) の急激な移動に伴う状況における、ＲＦＩＤ用送受信装置（interrogator）による反射データ信号の再生を可能とするものである。

米国特許6,639,509 号公報 米国特許6,122,329 号公報

一方、先に説明したようにＲＦＩＤ用送受信装置は、ＩＣタグに電源用エネルギーを供給するために高出力が要求されるので送信回路１２から出力されるキャリア信号のエネルギーが大きく、送受共用器１３において受信回路１４側への漏れ成分１５が生じる。この漏れ成分が復調器１４０に入力されると大きなレベルの直流成分が復調回路１４０から出力されるため、下流の増幅器等回路における飽和の原因となる。

このため、一般に受信回路１４において図５Ｂに示すように、復調回路１４０の出力側にキャパシタ１４４を設けたＡＣ結合などによりＤＣ成分を除去している。したがって、キャリアセンスを行う際は、他のＲＦＩＤ用送受信装置との周波数ずれΔｆが、“０”に近い場合は、ＤＣ成分除去の影響を受けるために、正確にキャリアセンスをすることができないという問題がある。

さらに、上記特許文献１、２のいずれにもかかるキャリアセンスにおける問題には触れられていない。

したがって、本発明の目的は、周波数を共用する他のシステムの使用するキャリア周波数との差が“０”に近い場合であってもキャリアセンスを可能とするキャリアセンス方法及び、この方法を適用するＲＦＩＤ用送受信装置及びＲＦＩＤシステムを提供することにある。

上記の課題を達成するリーダーの第１の態様は、複数のチャネルの中から、使用するチャネルを定めてタグとのデータ通信を行う前に、各チャネル信号を受信することにより、各チャネルのキャリア信号の有無を判断するキャリアセンスを行うリーダーであって、
前記チャネル信号の中心周波数からオフセット周波数分だけシフトされた周波数で発振信号を発生する周波数発振部と、
受信したチャネル信号と前記シフトされた発振信号とを混合し、前記混合された周波数信号の直流分を除去し、前記混合された周波数信号を出力する受信部と備える。

上記課題を達成するリーダーの第２の態様は、前記シフト周波数が前記チャネルの受信帯域より小さいことを特徴とする。

さらに、上記課題を達成するキャリアセンス方法は、複数のチャネルの中から、使用するチャネルを定めてタグとのデータ通信を行うリーダーにおける、前記データ通信に先だって、各チャネル信号を受信することにより、各チャネルのキャリア信号の有無を判断するキャリアセンス方法であって、
周波数発振部により、前記チャネル信号の中心周波数からオフセット周波数分だけシフトされた周波数で発振信号を発生し、
受信部で、受信したチャネル信号と前記シフトされた発振信号とを混合し、前記混合された周波数信号の直流分を除去し、前記混合された周波数信号を出力することを特徴とする。

本発明の特徴は、以下に図面に従い説明される発明の実施の形態例から更に明らかになる。

本発明により、正確なキャリアセンスが可能となる。したがって、ＲＦＩＤシステムにおける運用が効率的に実行でき、周波数の有効利用が可能となる。

キャリアセンスを説明する図である。 ＲＦＩＤ用送受信装置（リーダー）の一構成例である。 ＲＦＩＤシステムにおける複数チャネルの配置を説明する図である。 キャリアセンス（ＣＳ）期間と送信時間（期間Ｐ２）を説明する図である。 受信回路としてＤＣ直結型受信系とＡＣ結合型受信系の構成を説明する図である。 ＲＦＩＤ用送受信装置の第１の実施例ブロック図である。 キャリア信号発振器の 構成例ブロック図である。 実施例特徴を更に説明する図である。 キャリアセンスの時に基準周波数ｆ_LOからシフトする周波数ｆsの大きさについて検討する図である。 受信回路の通過帯域を説明する図である。

以下に図面に従い、実施の形態例を説明する。なお、実施の形態例は本発明の理解のためのものであり、本発明の技術範囲がこれに限定されるものではない。

図６は、ＲＦＩＤ用送受信装置（リーダー）の第１の実施例ブロック図である。

実施例において、ＩＣタグとの間での通常の通信を行う際に使用する基準局部発振周波数ｆ_Loに対し、キャリアセンスを行う時は、所定の周波数ｆs分シフトした復調用局部発振周波数（ｆ_Lo＋ｆs）を用いることを特徴とする。

図７は、上記特徴を実現するための局部発振信号発振器１１の構成例ブロック図である。

基準信号源１１０は高精度の基準発振周波数ｆ_REFを出力する。分周器１１１ａ及び分周器１１１ｄの分周比Ｎ１、Ｎ２は制御処理回路１０からの制御信号に基づき制御回路１１１ｂにより設定される。

分周器１１１ａ及び分周器１１１ｄの分周比をそれぞれＮ１、Ｎ２としたとき、電圧制御発振器１１３の出力周波数が基準発振周波数ｆ_REFのＮ２／Ｎ１倍に一致するように、フィードバックループは動作する。通常通信時は電圧制御発振器１１３の出力周波数が基準周波数ｆ_LOになるように分周器１１１ａ及び分周器１１１ｄの分周比Ｎ１、Ｎ２が設定される。

ついで、キャリアセンス時には、制御回路１１１ｂは制御処理回路１０からの異なる制御信号に基づき、電圧制御発振器１１３の出力周波数が（ｆ_Lo＋ｆs）となるように、分周回路１１１ａ及び分周器１１１ｄの分周比Ｎ１、Ｎ２を制御する。

図８は、上記実施例の特徴を更に説明する図であり、図８Ａは、チャネルＣＨｎを使用予定周波数とする場合を示す図であり、通信に使用する中心周波数ｆ_LO(n)を用い、その両側帯波を受信帯域ＲＢとして、ＩＣタグとの通信を行う。

そして、通信に先立ってチャネルＣＨｎが空きチャネルであるかを判断するためにキャリアセンスを行う。このとき、本発明に従い、チャネルＣＨｎに対応する局部発振周波数ｆ_LO(n)に対し所定周波数ｆs分シフトした周波数（ｆ_LO(n)＋ｆs）によりキャリアセンスを行う（図８Ｂ参照）。

このとき、図６に戻り説明すると、他のＲＦＩＤ用送受信装置からキャリア信号の受信周波数が(ｆ_LO＋Δf)であるとき、復調回路１４０の出力は、（Δf−ｆs）となる。これにより、他のＲＦＩＤ用送受信装置の送信キャリア信号周波数との周波数ずれΔｆが“０”に近い場合であっても、所定の周波数ｆs分の周波数シフトにより得られる復調回路１４０の出力の周波数成分（Δf−ｆs）は、ＡＣ結合用キャパシタ１４４により阻止されずに出力される。

したがって、制御処理回路１０は、Ａ/Ｄ変換器１４３からの（Δf−ｆs）に相当するデジタル信号の存在を検知して、他のＲＦＩＤ用送受信装置により該当のキャリア周波数ｆ_LOが使用されていると判断することができる。

図８ＢにおけるキャリアセンスによりチャネルＣＨｎが空きチャネルでない場合は、順次チャネルＣＨn+1、ＣＨn+2に対応するように中心周波数（キャリア周波数）をシフトして空きチャネルが検知されるまでキャリアセンスを繰り返す。

キャリアのシフト（チャネルシフト）の方法として図８Ｃに示すように離散的にチャネル対応に復調回路１４０に供給する局部発振回路１１からの局部発振周波数をシフトする。また、別の方法として、図８Ｄに示すように連続的に復調回路１４０に供給する局部発振回路１１からの局部発振周波数をシフトする。これにより、キャリアの検知されない空きチャネルを探索することができる。

次に、キャリアセンスの時に基準周波数ｆ_LOからシフトする周波数ｆsの大きさについて図９により検討する。

図９Ａは、複数のチャネルＣＨｎ、ＣＨn+1、ＣＨn+2、・・・の配列を示す。いま、使用予定チャネルとしてチャネルＣＨｎに注目する場合、中心周波数ｆ_LO(n)に対する他のシステムの送信信号の周波数ずれΔｆの範囲を考慮して受信帯域ＲＢ（図８Ａ参照）が保証される必要がある。

周波数ずれΔｆを生じる要素として図９Ａに示すように他のシステムの周波数偏差（最大値：ｄｅｖ１）と、図９Ｂに示すように局部発振周波数の偏差（最大値：ｄｅｖ２）がある。したがって、図９Ｂに示すように、中心周波数ｆ_LO(n)からシフトする周波数ｆsとして、受信保証帯域幅ＲＢｗ（ｄｅｖ１＋ｄｅｖ２≧Δｆ）より大きくなるように設定する。

図９Ｂａ、図９ｂ、図９ｃは、理解を容易とするために、図９Ｂを分解して示す図であり、それぞれ、局部発振周波数の設定（目標）位置、局部発振周波数ずれの「−」方向の最大位置及び、局部発振周波数ずれの「＋」方向の最大位置を示している。この、周波数ずれの「−」方向の最大偏差及び、「＋」方向の最大偏差の大きな方をｄｅｖ２と定義している。図示していないが、受信信号の周波数偏差の最大値ｄｅｖ１も同様に「＋」「−」方向の偏差の最大値の大きな方によって定義される。

図１０は、受信回路１４の帯域を示す図である。ＡＣ結合のためのキャパシタ１４４の高域通過特性（図１０Ａ）と、ローパスフィルタ１４２の低域通過特性により形成される帯域通過特性（図１０Ｃ）を形成し、通常通信における受信性能の最適化と隣接チャネル干渉の最小化を行っている。中心周波数ｆ_LO(n)からシフトする周波数ｆsのもう１つの条件として、図１０Ｃに示される帯域内に、受信信号（他システムのキャリア周波数）と局部発振周波数の差周波数が収まることが必要である。

ＲＦＩＤシステムにおいて、使用予定チャネル周波数のキャリアセンスに際し、ＲＦＩＤ用送受信装置のキャリア信号発振回路の非同期により生じる周波数偏差Δｆは“０”に近い場合であっても正確にキャリアセンスを実行可能とする。よって、ＲＦＩＤシステムの信頼性を高めることが可能である。

１０ 制御処理回路
１１ 局部発振回路
１２ 送信回路
１３ アンテナ共用器
１４ 受信回路
１４０ 復調回路
１４１ 増幅器
１４２ ローパスフィルタ
１４２ Ａ／Ｄ変換器

Claims (3)

1. タグにエネルギーを供給するためのキャリア信号を送信する送信回路と、前記タグからデータを受信する受信回路と、前記送信回路と受信回路に接続されるアンテナ共用器を備え、複数のチャネルの中から、使用するチャネルを定めてタグとのデータ通信を行うリーダーにおいて、
   局部発振回路と、
   前記局部発振回路からの周波数信号と、前記アンテナ共用器からの出力信号を混合し、直流分を除去し、前記混合された周波数信号を出力する受信部とを備え、
   前記タグとのデータ通信を行う前に、前記局部発振回路は、使用チャネルの中心周波数からオフセット周波数分だけシフトされた周波数信号を発生し、前記受信部は、前記混合された周波数信号の有無により、前記使用予定のチャネルのキャリア信号の有無を判断し、
   前記タグとのデータ通信の時は、前記局部発振回路から使用するチャネルの中心周波数をキャリア信号として出力する、
   ことを特徴とするリーダー。
2. 請求項１において、
   前記シフト周波数が、他のシステムの周波数偏差と前記局部発振回路の周波数偏差の最大値の大きさで決まる受信補償範囲より大きくなるように設定されることを特徴とするキャリアセンスを行うリーダー。
3. タグにエネルギーを供給するために使用チャネルの中心周波数信号をキャリア信号として送信する送信回路と、前記タグから前記キャリア信号を変調したデータを受信する受信回路と、前記送信回路と受信回路に接続されるアンテナ共用器を備えるリーダーにおける、前記タグとのデータ通信に先だって、使用予定チャネルのキャリア信号の有無を判断するキャリアセンス方法において、
   周波数発振部により、使用予定チャネルの中心周波数からオフセット周波数分だけシフトされた周波数信号を発生し、
   前記受信回路により、前記周波数発振部からの周波数信号と、前記アンテナ共用器からの出力信号を混合し、直流分を除去し、前記混合された周波数信号の有無により、前記使用予定のチャネルのキャリア信号の有無を判断する、
   ことを特徴とするキャリアセンス方法。

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