KR100961672B1 - 비접촉 송/수신 시스템에 의해 전송되는 전자기 신호를 위한 모듈레이터 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비접촉 송수신 시스템에서 비접촉 물체에 대하여 전자기파 방사를 사용하는 자료 전송 장치에 관한 것이다. 전송된 자료 비트는 전자기파가 미리 결정된 운반 주파수에서 전송되는 동안의 제1 시간 간격과 미리 결정된 운반 주파수에서 전자기파의 전송이 끊긴 동안의 제2 스플릿팅 시간 간격의 교대에 대응한다. 상기 제2 시간 간격동안 발생수단(40,42,44,46,48)은 미리 결정된 운반 주파수의 두 배에 해당하는 주파수를 갖는 전자기파를 발생시키는데 사용되고 그것에 의하여 안테나에 의해 방사된 장의 감쇠를 일으키며 상기 감쇠는 30 dB 와 같은 미리 결정된 값보다 크게 된다.

변조기, 전자기파, 비접촉 송수신 시스템

Description

비접촉 송/수신 시스템에 의해 전송되는 전자기 신호를 위한 모듈레이터 장치{Modulator for electromagnetic signals transmitted by a contactless transmission/reception system}

본 발명은 비접촉 송수신 시스템 판독기에 위치한 전자기 신호전송 안테나 및 휴대용의 비접촉 물체에 대하여 전자기 신호를 보내도록 설계된 비접촉 송수신 시스템에 관한 것으로, 특별하게는 비접촉 송수신 시스템에 의해 방사되는 전자기 신호를 위한 모듈레이터에 장치에 관한 것이다.

비접촉 물체(contactless object)와 비접촉 송수신 시스템(contactless transceiver system) 사이의 정보교환은 일반적으로 비접촉 물체에 위치한 첫째 안테나와 비접촉 송수신 시스템에 위치한 둘째 안테나 사이의 원격 전자기 커플링(coupling)에 의해 이루어진다. 더욱이, 그 물체는 다른 구성요소들중에서, 무선주파수 부분, 마이크로 프로세서 및/또는 비접촉 송수신 시스템에 제공되는 정보와 전송된 정보를 수집하고 받은 정보를 진행시키기 위하여 요구되는 논리 기능들이 있는 메모리를 가진 전기적 칩과 연결된 첫째 안테나를 특색으로 하는 전기적 모듈을 갖추고 있다.

티켓 또는 신용카드 형식의 카드일 수 있는 비접촉 물체는 점점 더 다양한 영역에서 사용되어지고 있는 시스템이다. 예를 들면, 운송 분야에서, 사용후 버릴 수 있는 비접촉 티켓과 비접촉 스마트 카드는 비정기적 사용자와 정기적 사용자 모두를 위한 지불수단으로서 발전되었다. 전자 지갑에 대해서도 역시 적용될 수 있다. 많은 회사들도 역시 비접촉 스마트 카드를 이용하여 직원들의 신원확인 수단으로 발전시키고 있다.

현재, 판독기(reader)로 일컬어지는 비접촉 송수신 시스템과 비접촉 스마트 카드들사에의 자료전송들은 국제표준화기구(ISO) 기준을 필요로 한다. 가장 널리 퍼진 것중에서, 국제표준기준 14443은 스마트카드와 판독기 또는 판독기와 스마트카드간의 무선을 통한 자료전송과 관련된다. 이 기준은 A형의 전송 프로토콜(protocol)과 B형의 전송 프로토콜로 알려진 두개의 전송 프로토콜들에 미친다. 이러한 두개의 비접촉 자료전송 프로토콜인 A 형과 B 형은 판독기와 다른 편의 카드사이의 그리고 카드와 다른 편의 판독기사이의 무선 주파수 통신에 사용되는 변조 방식(type of modulation)에 있어 차이가 있다. 여기에서는 판독기로부터 카드로 전송되는 신호들만을 다루게 될 것이다.

판독기로부터 카드로의 자료전송 방향에 있어서, 프로토콜 B 형은 방사된 신호 또는 전송된 자료에 의한 전자기적 운반파(carrier wave)의 10퍼센트의 변조속도에 상응하는 진폭 변조를 제공하는 반면 프로토콜 A형에서는 전송된 자료에 의한 그것의 진폭의 100퍼센트에서 전자기적 운반파가 변조된다. 두 경우에 있어서, 방사된 주기적인 전자기적 운반파의 진폭은 첫째 시간 간격 t1 동안 그리고 둘째 시간 간격 동안 디폴트값(default)에 의해 최대이며, 첫째의 경우에 대해서는 그것은 변조 동안의 최대 진폭의 거의 82 퍼센트와 같은 반면에 둘째 경우에 대해서는 그 것은 변조시간 동안 최대 진폭의 0 퍼센트와 같다.

현재, 증가하는 표준의 수는 비접촉 판독기가 A형과 B형의 전송 프로토콜 모두와 양립할 수 있는 것을 요구하고 있다. 표준화된 전자기적 운반파 주파수는 양 프로토콜에 공통되며 일반적으로 13.56 MHz 와 같다.

판독기에 대한 주요 실행 기준의 하나는 가능한 한 큰 전자기장의 범위이다. 따라서 생산자들은 전압원을 증가시키는 것에 의하지 않고 그들의 전송시스템의 범위를 발전시키려고 시도한다. 그러나 범위의 증가가 카드가 판독기 근처에 위치되었을 때 카드를 포화시키거나(saturating) 파괴하는 위험을 제공해서는 안 된다.

이러한 실행기준을 만족시키기 위한 요소들 중의 하나는 높은 과전압(overvoltage)비를 갖는 안테나의 사용이다. 공진 주파수에서, 전자기적 운반파의 원천이 되는 인덕턴스 말단들(terminals)에서의 전압(rms값)은 회로의 말단들에서의 전압의 Q배와 실질상 같다(Q는 과전압 요소임). 이런식으로, 안테나가 높은 과전압 비율을 제공하면 할수록 그것의 방사되는 장(field)의 범위도 더욱 커진다.

진폭의 100퍼센트에서 방사되는 신호의 변조를 얻기 위하여 현재 공통적으로 사용되는 방법은 전자기적 운반파의 전송을 막기위하여 프로토콜 A형에 따른 장(field)의 스플릿(split)에 대응하는 시간동안 회로의 터미널에서 전압원을 끄는 데에 있다.

실제에 있어서, 제너레이터(generator)를 끄는 것은 상당하게 안테나의 동력전달 회로의 임피던스를 증가시키지만 전압을 제로까지 드랍(drop)시킨다. 이것은 안테나가 회로에 축적된 부하 때문에 방사(emit)를 계속하게 하는데 이는 스플릿팅시간보다 큰 시간동안 댐픈드되고(dampened) 오실레이팅(oscillating)한 방사된 전자기적 운반파가 되게 한다. 그 결과 신호 스플릿 동안 카드를 향해 방사된 장(field)의 진폭은 제로가 아니고 안테나에 의한 방사된 장은 따라서 전자기적 운반파의 진폭의 100퍼센트의 변조에 상응하지 않게 된다. 이것은 이론적인 스플릿 시간 보다 더 짧은 시간 동안 일어나며, 방사된 신호의 최대진폭의 5퍼센트보다 작거나 같은 정도이다.

그 결과로서, 높은 과전압비를 가진 안테나의 사용은 B형의 판독기와 양립가능하다. 그러한 판독기에 대하여 전자기적 운반파는 A형 판독기와 잘 양립하지 않는 것이어도 진폭의 단지 10퍼센트에서 변조되기에 항상 액티브(active)하다. 더욱이 높은 과전압비를 가진 안테나를 가지고 얻어지는 작은 댐픈닝(dampening) 효과는 단지 미약하게 그 진폭의 10퍼센트에서 변조된 파의 형태에 영향을 끼친다.

양쪽 모두의 판독기형에 양립가능한 안테나를 사용하기 위하여, 첫째 해결책은 감소된 과전압비를 가진 그리고 표준 B 하에서 실행특성을 감수하지만 표준 A 의 요구 사항과 양립하는 감폭특성의 안테나를 사용하는 것이다.

둘째 해결책은 양극 트랜지스터들(bipolar transisters)를 가진 선형 증폭기(amplifier)를 사용하는데 있다. 이것은 안테나에 의해 방사된 신호를 축소(dampend)하여 방사된 장(field)이 스플릿 시간동안 제로가 되게 한다. 이 해결책은 예상되는 감폭(damping)이 수율(yield)을 희생하여 얻어지게 한다. 회로는 높은 성극 전류(polarization currents)를 요구하지만 일정한 출력 임피던스를 갖 게 된다.

셋째 해결책은 손실을 감소시키고 B 형의 판독기의 범위를 불리하게 하지 않게 하기 위하여 스위칭(switching)에 대하여 장(field) 효과 트랜지스터를 사용하는 것이다. 그러한 트랜지스터들을 열림(open)과 닫힘(closed)위치사이에서 회로를 스위치하고 최대 방사장(radiated field)이 회로가 실질적으로 열림상태이지만 A형의 프로토콜에 경우에 파형을 희생시키는 때에 존재하는 임피던스의 증가시킴으로써 얻어지게 한다.

발명의 제 1 목적은 A형 프로토콜 신호가 방사되는 동안 최대 실행 조건하에서 판독기의 안테나로부터 비접촉 스마트 카드로의 전자기적 운반파의 전송을 가능하게 하는 장치를 제공하는 것이다.

발명의 제 2 목적은 A형과 B형의 프로토콜 신호들이 방사되는 동안 최대 실행조건하에서 판독기의 안테나로부터 비접촉 스마트 카드로의 전자기적 운반파의 전송을 가능하게 하는 장치를 제공하는 것이다.

따라서 발명의 목적은 비접촉 물체에 대하여 비접촉 송수신 시스템의 전자기파 방사를 사용하고 전자기파들이 미리 정해진 운반 주파수(carrier frequency)에서 방사되는 제1 시간 간격(first time interval)과 미리 정해진 운반 주파수에서 전자기파의 전송에 있어 스플릿이 있는 제2 스플릿팅 시간 간격(second spliting time interval)의 교대(alternation)에 대응하는 자료 비트(data bits)를 사용하는 자료 전송장치와 관련된다. 이 장치는 제2 스플릿팅 시간 간격동안 안테나에 의해 어떤 미리 정해진 감쇠값보다 크게 방사장(radiated field)의 감쇠를 일어나게 하는 스플릿의 기본 주파수보다 큰 주파수를 갖는 전자기파를 발생시키는 발생수단을 포함한다.

발명의 목적, 대상, 그리고 특징들이 첨부된 도면들을 고려하여 다음의 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.

도 1은 프로토콜 A에 따라 방사된 장의 외연과 운반파의 주파수의 스플릿팅에 의해 얻어진 외연을 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 방사된 장의 외연을 나타낸다.

도 3은 받은 신호의 주파수와 관련하여 안테나에 의해 방사된 장의 진폭 커브를 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따른 장치의 기능들의 블록 다이어그램을 나타낸다.

자료는 현재 표준에 부합하는 A형과 B형의 두 개가 자료전송 프로토톨에 따라 판독기로부터 고주파(RF)신호를 경유하여 스마트 카드로 전송된다. A형 프로토콜은 진폭의 100퍼센트에서 판독기에 의해 방사된 전자기파를 변조한다. 주기적인 운반 주파수파의 진폭은 제1 시간 간격동안 최대이고 일정하나 제2 시간 간격동안에는 제로가 된다. B형의 프로토콜은 그 진폭의 10퍼센트에서 판독기에 의해 방사된 전자기파를 변조한다. 주기적인 운반 주파수파의 진폭은 제1 시간 간격동안은 최대이고 일정하며 제2 시간 간격동안은 최대 진폭의 10퍼센트와 같다. 실질적인 표준으로서 전자기적 운반파의 주파수는 현제 13.56 MHz이며 이것은 이 값이 이 문서에서 기준값으로 선택된 이유이다. 그러나 전자기적 운반파의 주파수는 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다를 수 있다.

A형의 자료 전송 프로토콜에 따르면, 전자기적 운반파는 13.56 MHz 전송 주파수의 스플릿팅에 의해 시간 간격 t 동안 스플릿한다.

판독기의 안테나에 의해 방사되는 장(field)의 외연(envelope)은 도 1에 제시되어 있다. 운반파의 주파수가 13.56 MHz 일 때 방사되는 장(10)은 최대이다. 주파수가 스플릿될 때 방사되는 장은 점진적으로 커브(12)에 따라서 그것이 시간 간격 t의 끝부분에서의 제로가 아닌 최소값에 도달할 때까지 감소한다. 시간 간격 t의 끝부분에서 운반파의 주파수는 다시 13.56 MHz와 같아지고 방사되는 장의 진폭은 그 최대치까지 도달할 때까지 커브(14)에 따라서 증가한다. 이런식으로 운반파의 진폭으로부터 얻어지는 변조는 최대진폭의 100퍼센트에서의 변조인 경우에는 만족스러운 것이 못된다. 그러한 변조는 시간 간격 t에서 어떤 시간 동안 방사된 장의 진폭의 최소 값이 얻어지는 경우(통용적으로 표준은 최대진폭의 5퍼센트보다 작은 것을 요구한다) 얻어진다. 이제, 커브(12)에 나타난 운반파 주파수가 스플릿할 때 방사되는 장의 감소는 최대진폭의 100퍼센트에서 변조의 관점에서 만족스러운 파형을 얻기 위하여 상당히 충분한 것이 아니다.

도 2는 본 발명에 따른 장치에 의한 판독기의 안테나에 의해 방사된 장의 외연을 나타낸다. 운반파의 주파수가 13.56 MHz와 같을 때 방사되는 장(20)은 최대치이다. 시간 t 동안 운반파의 진폭의 스플릿을 얻기 위하여 안테나로 보내지는 신호의 주파수는 그리하여 시간 t 동안 공진주파수의 배가 된다. 따라서 안테나는 27.12 MHz의 주파수를 갖는 신호를 받으며 이 주파수는 안테나의 대역폭의 범위를 벗어나기 때문에 안테나에 의해 방사되는 장은 없다. 실제로, 주파수가 변화하는 동안 얻어지는 방사되는 장은 그것이 상당한 시간 t'동안 무시할 수 있을 정도의 값에 도달할 때가지 매우 진폭이 줄어든 커브(22)를 따라 급속하게 감소한다. 전자기적 운반파의 주파수가 13.56 MHz일 때 안테나에 의해 방사되는 장(24)은 그것이 그 최대치(20)에 도달할 때까지 증가한다. 얻어지는 파형은 따라서 최대 진폭의 100퍼센드에서 변조되는 관점에서 만족스럽다. 이러한 결과는 안테나의 대역폭의 범위를 벗어나서 방사되는 신호의 주파수를 갖거나 스플릿의 기본주파수보다 큰 주파수를 갖는 것으로 얻어질 수 있다.

안테나에 의해 방사되는 장은 안테나에 의해 수신된 신호의 주파수에 따라 도 3에서 설명되고 있다. 이러한 장은 공진 주파수 f_R 에서 최대가 된다. 주파수 f₁ 보다 작거나 같은 주파수에 대하여, 방사되는 장의 진폭은 공진 주파수 f_R 에서 방사되는 장의 진폭의 5퍼센트보다 작다. 같은 방법으로, f₂ 는 공조 주파수에서 방사되는 장의 진폭의 5퍼센트보다 작은 방사되는 장의 진폭위의 주파수를 나타낸다. 프로토콜 A형에 따라서 다양한 장 스플릿을 얻는 것을 만족시키는 스플릿동안 발생한 주파수에서 안테나에 의해 방사되는 장의 진폭은 방사되는 장의 최대진폭의 5퍼센트보다 작아야만 한다. 컷오프(cut-off)동안 발생된 주파수는 따라서 그러하여 방사되는 장의 감쇠가 일어나 미리 정해진 값과 같아지고 이 값은 바람직하게는 30 dB이다. 스플릿동안 발생된 주파수는 f₁ 보다 작고 제로는 아니거나 f₂ 보다 크다. 바람직한 실시예는, 그것이 f_R 의 두 배보다 크거나 같은 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 스플릿동안 발생되는 주파수는 공조 주파수의 2 배인 27.120 MHz 와 같은 값이다.

도 4의 블록다이어그램 형식에서 보여지는 전송 장치는 자료신호(42)가 두 위치 스위치(48)를 조절하도록 하는 발명의 바람직한 구현을 보여주고 있다. 첫째 위치는 신호의 주파수가 클럭(44)에 의해 제공되는 스플릿 동안 발생한 27.120 MHz와 같은 주파수에 대응한다. 둘째 위치는 주파수 디바이더(46)에 의해 생성된 13.56 MHz 의 표준 주파수와 같은 주파수와 대응된다. 상기 수단은 프로그램 논리수단(program logic)(40)에 포함되며 출력신호(50)은 두개의 입력에 의한 전원스위칭 스테이지(power swiching stage)(56)에 적용되며 입력(52)는 프로그램 논리수단(40)의 출력신호에 대응되며, 또 다른 입력(54)는 전환스위치(53)에 의하여 전환된 출력신호이다. 전원스위칭 스테이지(56)은 두 개의 입력(52,54) 각각과 연결된 두 개의 전계효과 트랜지스터(field effect transister)들을 포함하며 두개의 입력중 하나에 의해 수신된 주파수로 스위치하도록 의도되어 있고 트랜지스터중의 하나가 열림이면 다른 하나는 닫힘을 나타낸다. 전원스위칭 스테이지(56)로부터의 양 출력 신호들은 단지 기본 주파수신호만을 통과시키도록 디자인된 저역통과 필터(62)에 의해 필터되기 전에 두개의 레지스터(58,60)를 통과한다. 필터(62)의 출력에서 두개의 신호들이 안테나(64)에 의해 비접촉 카드로 방사된다.

Claims (9)

1. 비접촉 송수신 시스템에서 비접촉물체로 전자기파를 방사하고, 제1 시간 간격과 제2 스플릿팅 시간 간격의 변화에 상응하여 자료비트(data bits)를 전송하되, 상기 제1 시간 간격 동안에는 미리 결정된 운반 주파수로 전자기파가 방사되고 상기 제2 스플릿팅 시간 간격 동안에는 상기 미리 결정된 운반 주파수로 방사되는 상기 전자기파의 전송에 스플릿이 있는 전송장치로서,

   상기 제2 스플릿팅 시간 간격 동안에 전자기파를 발생하는 발생수단을 더 포함하고, 상기 발생수단에 의해 발생된 전자기파의 주파수는 안테나에 의해 형성된 방사장의 감쇄를 30 dB보다 크게 발생시키는 것을 특징으로 하는 전송장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 스플릿 동안에 발생된 상기 주파수는 주파수 범위 f1 내지 f2 밖에 존재하되, 상기 주파수 범위 f1 내지 f2에서는 상기 안테나에 의해 형성된 상기 방사장의 진폭이 상기 미리 결정된 운반 주파수에서의 상기 방사장의 진폭의 5% 이상인 것을 특징으로 하는 전송 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 스플릿 동안에 발생한 상기 주파수는 상기 미리 결정된 운반 주파수의 두 배와 같은 것을 특징으로 하는 전송 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   프로그램 논리수단을 더 포함하되, 상기 프로그램 논리수단은, 상기 미리 결정된 운반 주파수를 갖는 제1신호를 초기 시간 간격 동안 제공하고, 상기 미리 결정된 운반 주파수의 두 배에 해당하는 주파수를 갖는 제2신호를 제2 시간 간격 동안 제공하며, 성가 제1신호와 상기 제2신호 간의 스위칭을 제공하고, 상기 스위칭을 제어하는 자료신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 전송 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 미리 결정된 운반 주파수는 13.56 MHz 인 것을 특징으로 하는 전송 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 프로그램 논리수단은,

   27.12 MHz에서 동작하는 클럭; 및

   상기 미리 결정된 운반 주파수(13.56 MHz)를 제공하는 주파수 분주기;를 포함하되,

   상기 미리 결정된 운반 주파수의 두 배에 해당하는 주파수(27.12 MHz)는 상기 클럭에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 전송장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   전원스위칭 스테이지를 더 포함하되, 상기 전원스위칭 스테이지는 상기 프로그램 논리수단의 출력에 의해 제어되는 두 개의 전계효과 트랜지스터를 포함하고, 상기 두 개의 전계효과 트랜지스터는 하나가 폐쇄상태에 있는 동안 다른 하나는 개방상태에 있도록 제어되는 것을 특징으로 하는 전송 장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   전송되는 자료는, 방사되는 전자기장의 스플릿에 의한 자료비트의 생성을 규정하는 A형의 프로토콜에 따름으로써 자료 전송 표준 ISO 14443을 만족시키는 것을 특징으로 하는 전송 장치.

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