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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen tragbaren Datenträger, wie
beispielsweise eine Massenspeicherkarte, ein Verfahren zur kontaktlosen
Datenübertragung
zwischen dem tragbaren Datenträger
und einem Lesegerät
sowie ein System, umfassend den tragbaren Datenträger sowie
eine Endgerät,
in welches der tragbare Datenträger
einsetzbar ist.
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Tragbare
Datenträger,
wie Chipkarten oder Massenspeicherkarten, beispielsweise eine MultiMediaCard
(MMC) oder eine Secure Digital Card (SD Card), haben inzwischen
vermehrt sowohl eine kontaktbehaftete Schnittstelle als auch eine
kontaktlose Schnittstelle. Die tragbaren Datenträger können somit beispielsweise auch
als Transponder in RFID-Systemen eingesetzt werden.
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Herkömmlich erfolgt
sowohl die Energieversorgung eines Transponders in einem RFID-System
als auch der Datenaustausch zwischen dem Transponder und einem Lesegerät unter
Verwendung magnetischer oder elektromagnetischer Felder. RFID-Transponder
besitzen eine elektronische Schaltung und je nach Frequenzbereich
eine Antennenspule (z.B. 13,56 MHz) oder eine elektromagnetische
Antenne (z.B. 868 MHz). Über
die Antenne kann dem Feld des Lesegerätes die zum Betrieb des Transponders
benötigte
Energie entnommen sowie die Datenübertragung durchgeführt werden.
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Bis
zu einem bestimmten Abstand zwischen Lesegerät und Transponder, welcher
auch als Energiereichweite bezeichnet wird, kann der Transponder
dem Feld des Lesegerätes
gerade noch ausreichend Energie zum Eigenbetrieb seiner Schaltung
entnehmen. Typische Energiereichweiten solcher Sys teme sind etwa 10
cm für
ISO 14443 und bis zu 1 m für
ISO 15693 kompatible Systeme.
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Die
Reichweite, innerhalb derer eine Kommunikation im System durch Datenübertragung
möglich
ist, kann erhöht
werden durch Verwendung von aktiven Transpondern, also Transpondern
mit eigener Energieversorgung. Die Energieversorgung des aktiven
Transponders, beispielsweise in Form einer Batterie, betreibt dessen
elektronische Schaltung. Herkömmliche
Transponder ohne eigene Energieversorgung werden dagegen als passive
Transponder bezeichnet.
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RFID-Systeme,
beispielsweise für
verschiedene Kopplungsarten, sowie eine Lastmodulation unter Verwendung
eines Hilfsträgers
in induktiv gekoppelten RFID-Systemen werden insbesondere unter
Kapitel 3.2 in dem „RFID-Handbuch" von Klaus Finkenzeller
beschrieben.
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Zur
einfachen und schnellen kontaktlosen Kommunikation zwischen zwei
Geräten
wurde von den Firmen Philips und Sony eine induktive Übertragungstechnik
entwickelt, welche als sogenannte Nahfeldkommunikation (NFC, Near
Field Communication) bekannt ist. Diese Technik wird beispielsweise
in Mobilfunkgeräten oder
PDAs integriert, um eine Kommunikation zwischen den Geräten oder
mit einem Computer zu ermöglichen.
Die Kopplung der beiden Geräte
findet über
Spulen statt, wobei die Trägerfrequenz
wie in RFID-Systemen 13,56 MHz beträgt. Wie in dem NFC-Standard
ISO/IEC 18092 näher
beschrieben, gibt es in NFC-Systemen einen aktiven Kommunikationsmodus
und einen passiven Kommunikationsmodus. In dem aktiven Modus erzeugen
zwei NFC-Einheiten abwechselnd ihr eigenes RF-Feld als Signalträger, schalten
also wie in einem klassischen Mobilfunksystem, beide aufeinander
abgestimmt, zwischen Sende- und Empfangsbe trieb hin und her. In
dem passiven Modus müssen
sich die beiden NFC-Einheiten
dagegen einigen, welche Einheit als Lesegerät agiert und ein Feld erzeugt,
das die andere Einheit dann mittels Lastmodulation beeinflussen
kann. Primär
aufgrund der verwendeten kleinen Antennendurchmesser sind in NFC-Systemen – insbesondere
im passiven Modus – nur
geringe Kommunikationsreichweiten möglich.
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Selbst
bei aktiven Transpondern ergibt sich das Problem, dass die Datenübertragung
vom Transponder zum Lesegerät
durch die mit zunehmendem Abstand zwischen Lesegerät und Transponder
schwächer werdenden
Signale begrenzt ist. In der Regel können daher beispielsweise bei
induktiv gekoppelten Systemen, welche nach dem Prinzip der Lastmodulation
Daten zum Lesegerät übertragen,
auch mit aktivem Transponder keine größeren Reichweiten als 1 bis
2 m erzielt werden. Für
RFID-Systeme, die nach dem Prinzip der Rückstreuung (Backscatter) arbeiten,
werden dagegen typischerweise Kommunikationsreichweiten von 10 m erreicht.
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Daher
ist es Aufgabe der Erfindung, die Reichweite der Datenübertragung
in einem System umfassend ein Lesegerät und einen tragbaren Datenträger gegenüber herkömmlichen
Systemen mit aktiven oder passiven Transpondern zu vergrößern.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. In davon
abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
angegeben.
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Erfindungsgemäß sendet
ein tragbarer Datenträger,
vorzugsweise eine Massenspeicherkarte, ein selbst erzeugtes Feld
als Signal zu einem Lesegerät,
mit welchem Transponder durch Modulation des Lesegerätfeldes
kommunizie ren können,
derart dass das Lesegerät
das Signal als Modulation durch einen herkömmlichen Transponder auswerten
kann. Ohne eine Last- oder Rückstreuungs-Modulation
des Lesegerätfeldes
ausführen
zu müssen,
sendet also der tragbare Datenträger
selber ein Feld aus, welches dem Lesegerät eine Modulation des Lesegerätfeldes
durch einen Transponder vortäuscht.
Eine erfindungsgemäße Transpondereinheit
weist Mittel zum Senden des entsprechend modulierten Signals auf.
Die Gesamtreichweite des Systems wird folglich nicht mehr durch
die Kommunkationsreichweite des Lesegerätes begrenzt, sondern ist darüber hinaus
erweitert bis zu einer Sendereichweite der Transpondereinheit.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung kann in dem tragbaren Datenträger der
aktive Betriebsmodus und/oder ein passiver Betriebsmodus ausgewählt werden,
in welchem der tragbare Datenträger
eine Modulation des Lesegerätfeldes
durchführt.
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Vorzugsweise
erfolgt das Auswählen
des Betriebsmodus abhängig
von einer Energieversorgung des tragbaren Datenträgers. Um
die Wahl des Betriebsmodus alternativ oder zusätzlich auch durch ein Endgerät, in welches
der tragbare Datenträger
eingesetzt ist, beeinflussbar zu gestalten, kann der Betriebsmodus
abhängig
von einem externen Auswahlsignal oder einem vom Datenträger empfangenen
Kommando erfolgen.
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Ebenfalls
ergänzend
oder alternativ zu einem Auswählen
des Betriebsmodus kann der aktive Betriebsmodus für die kontaktlose
Datenübertragung
deaktiviert werden.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn die Deaktivierung abhängig von
einer auf dem tragbaren Datenträger
ausgeführten
Applikationen erfolgt. Somit kann auf einem tragbaren Datenträger eine
erste Applikation die vergrößerte Reichweite
des aktiven Betriebsmodus verwenden und eine zweite Applikation,
sobald sie auf dem tragbaren Datenträger ausgeführt wird, den aktiven Betriebsmodus
deaktivieren, um die mit der geringeren Reichweite verbundene erhöhte Sicherheit
zu erzielen.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn der tragbare Datenträger zwischen
seiner eigenen Antenne und einer Antenne eines Endgerätes, welche
der tragbare Datenträger
für die
kontaktlose Datenübertragung
verwenden kann, umschalten kann. Das Umschalten zwischen den Antennen
kann sowohl in Antwort auf ein durch den tragbaren Datenträger empfangenes
Kommando als auch in Antwort auf ein intern erzeugtes Umschaltsignal
erfolgen.
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Insbesondere
kann der tragbare Datenträger
angepasst sein zu erkennen, ob er in ein Endgerät eingebaut ist, und seinen
Verhalten entsprechend modifizieren.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 ein
System umfassend eine Transpondereinheit und ein Lesegerät,
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2 eine
Transpondereinheit schematisch mit einer erfindungsgemäßen Schaltung,
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3 ein
Prinzipschaltbild eines analogen Ringmodulators,
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4 eine
Ausführungsform
eines Senders für
eine Transponderein heit mit digitalem Ringmodulator,
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5 ein
Sender für
eine Transpondereinheit mit ASK Modulator als Trägerfrequenzmodulator,
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6 eine
Sender für
eine Transpondereinheit mit ASK Modulator als Trägerfrequenzmodulator und einem
modifizierten Hilfsträgermodulator,
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7 eine
Transpondereinheit, in welcher ein Sicherheitsmodul über eine
S2C-Schnittstelle an einen Interfacebaustein
angebunden ist,
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8 ein
Interfacebaustein für
eine Transpondereinheit gemäß 7,
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9 eine
Transpondereinheit, in welcher ein Chip mit herkömmlicher HF-Schnittstelle an
einen Interfacebaustein in einer weiteren Ausführungsform angebunden ist,
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10 eine
Transpondereinheit, in welcher ein Chip mit herkömmlicher HF-Schnittstelle an
einen modifizierten Interfacebaustein angebunden ist,
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11 einen
Ausschnitt einer Transpondereinheit, in welcher ein Chip mit herkömmlicher
HF-Schnittstelle induktiv an einen Interfacebaustein gekoppelt ist,
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12 ein
System aus einem Endgerät
und einer Massenspeicherkarte mit zusätzlicher kontaktloser Schnittstelle,
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13 ein
Interface-Baustein mit Mitteln zur Auswahl eines aktiven oder passiven
Betriebsmodus,
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14 ein
System aus einem tragbaren Datenträger mit interner Antenne sowie
einem Endgerät
mit einer weiteren für
den tragbaren Datenträger
nutzbaren Antenne in einer ersten Ausführungsform,
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15 aus
einem tragbaren Datenträger
mit interner Antenne sowie einem Endgerät mit einer weiteren für den tragbaren
Datenträger
nutzbaren Antenne in einer zweiten Ausführungsform,
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16 die
Beschaltung einer kontaktbehafteten Schnittstelle einer MMC-Karte
in einem ersten Betriebsmodus,
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17 die
Beschaltung der kontaktbehafteten Schnittstelle einer MMC-Karte
in einem zweiten Betriebsmodus,
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18 ein
System aus einem Endgerät
und einem tragbaren Datenträger,
der erkennt, ob er in ein Endgerät
eingebaut ist, und
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19 ein
Interface-Baustein mit einer bevorzugten PLL-Schaltung.
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Im
Folgenden wird zunächst
mit Bezug auf 12 ein Anwendungsgebiet für die vorliegende
Erfindung beschrieben. Ein tragbarer Datenträger ist ü ber seine kontaktbehaftete
Schnittstelle mit einem Endgerät verbindbar
und weist zudem als Transpondereinheit erfindungsgemäß verbesserte
Mittel zur kontaktlosen Kommunikation auf. Das grundlegende Prinzip
zur Erhöhung
der Reichweite in einem System mit einer Transpondereinheit und
einem entsprechenden Lesegerät
wird anschließend
anhand von 1 beschrieben.
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Weitere
Optionen und Verbesserungsmöglichkeiten
für eine
derartige kontaktlose Kommunikation mit erhöhter Reichweite werden mit
Bezug auf die 2 bis 11 näher ausgeführt. Verbesserungen,
die insbesondere für
die in 12 dargestellten Anwendung hilfreich
sind, werden schließlich
mit Bezug auf die 13 bis 19 beschrieben.
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12 zeigt
eine sichere Massenspeicherkarte (MultiMediaCard – MMC) 120,
die über
ihre kontaktbehaftete Schnittstelle (Kontaktschnittstelle) 126 mit
einem Endgerät 127 reversibel
verbindbar ist. Die Massenspeicherkarte 120 weist einen
Massenspeicher 122 sowie eine zugeordnete erste Steuereinheit 124 auf. Eine
zweite Steuereinheit 125, die vorzugsweise in der Form
eines Chipkartencontrollers ausgebildet ist, ist mit einer Schnittstelleneinheit
(Interface-Baustein) 121, an welcher eine Antenne 123 der
Massenspeicherkarte 120 angeschlossen ist, und der ersten
Steuereinheit 124 verbunden.
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Die
Steuerung der Massenspeicherkarte 120 muss nicht notwendigerweise
in die erste Steuereinheit 124 und die zweite Steuereinheit 125 aufgeteilt
sein, vielmehr können
die beiden Speichereinheiten und optional auch der Interface-Baustein 121 als
eine einzige Komponente ausgebildet sein. Die Massenspeicherkarte 120 kann
mit einer nicht dargestellten Batterie, vorzugsweise einer Folienbatterie,
ausgestattet sein.
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Die
Massenspeicherkarte 120 erzeugt, wie in Bezug auf die 1 bis 11 näher beschrieben,
für eine
drahtlosen Kommunikation mit einem zweiten Gerät ein eigenes elektromagnetisches
Feld. Das Feld der Massenspeicherkarte wird – unabhängig von einer Modulation des
Feldes des zweiten Gerätes – so erzeugt und
gesendet, dass es für
das zweite Gerät
als eine Modulation seines Feldes erscheint. Die Massenspeicherkarte
kann somit über
Distanzen mit dem zweiten Gerät
kommunizieren, die nicht von der Kommunikationsreichweite des zweiten
Gerätes
abhängig
sind. Als Transpondereinheit im Sinne der vorliegenden Erfindung kann
die Massenspeicherkarte und/oder das System aus Massenspeicherkarte
und Endgerät
agieren.
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1 zeigt
ein System zur Datenübertragung
umfassend eine Transpondereinheit 1 und ein mit der Transpondereinheit 1 zusammenwirkendes
Lesegerät 100.
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Das
herkömmliche
Lesegerät 100 kann
innerhalb der Energiereichweite ER mit herkömmlichen passiven Transpondern 200 und
innerhalb der Kommunikationsreichweite KR mit herkömmlichen
aktiven Transpondern 300 Daten austauschen.
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Abhängig von
einem verwendeten Systemtyp können
Daten dabei von den Transpondern 200, 300 zu dem
Lesegerät 100 entweder
mittels Lastmodulation (induktive Kopplung) oder mittels moduliertem
Rückstrahlquerschnitt
(elektromagnetische Backscatter-Kopplung) übertragen werden. Im Folgenden
werden bevorzugt Ausführungsformen
für Systeme
beschrieben, die nach dem Prinzip der Lastmodulation Daten an das Lesegerät übertragen.
Die einzelnen Aspekte der Ausführungsformen
sind aber weitgehend analog auch auf Systeme anwendbar, die nach
dem Prinzip modulierter Rückstrahlquerschnitte
der Transpondereinheit arbeiten.
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Die
Transpondereinheit 1 sendet zur Datenübertragung an das Lesegerät 100 ein
Signal, daß das
Lesegerät 100 als
Signal eines Transponders auswerten kann, der eine Lastmodulation
des Feldes 110 des Lesegerätes 100 durchführt. Im
Gegensatz zu den herkömmlichen
Transpondern 200, 300, die das Feld 110 des Lesegerätes 100 zu
einem modulierten Lesegerätfeld 102, 103 modulieren,
erzeugt und sendet die Transpondereinheit 1 also ein eigenes
moduliertes Feld 20 als das Signal zur Datenübertragung.
Die Transpondereinheit 1 setzt somit eigene Energie zum
Zwecke der Datenübertragung
ein.
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Um
ein besseres Signal-Rauschverhältnis
zu erzielen, wird in einem induktiven Systemen mit einer Trägerfrequenz
fT des RFID-Lesegerätes von beispielsweise 13,56
MHz in bekannter Weise ein Hilfsträger fH mit
fH < fT, also beispielsweise fH =
848 kHz (ISO/IEC 14443) verwendet. Der Lastwiderstand in der Transpondereinheit
wird mit der Frequenz fH ein- und ausgeschaltet,
so daß im
Signalspektrum neben dem starken Signal der Trägerfrequenz fT des
Lesegerätes
zwei Hilfsträgersignale
im Abstand von +/–fH entstehen. Wird nun der Hilfsträger in der
Transpondereinheit 1 entsprechend den zu übertragenden
Daten moduliert, so entstehen die Modulationsseitenbänder, welche
die Information tragen, im Spektrum jeweils unter- und oberhalb
der beiden Hilfsträger.
Die zu übertragenden
Daten sind also gleichermaßen
in den Seitenbändern
der Hilfsträger
enthalten, welche jeweils auf beiden Seiten der zwei entsprechenden
Spektrallinien angeordnet sind. Die Datenübertragung erfolgt hier durch
ASK, FSK oder PSK-Modulation des Hilfsträgers im Takt des Datenflusses.
Im Gegensatz zur Lastmodulation ohne Hilfsträger, bei der die Daten in Seitenbändern um
die Trägerfrequenz
des Lesegeräts
herum übertragen
werden, kann das Hilfsträgersignal
im Lesegerät
besser ausgefiltert und demoduliert werden, um so die Daten zurückzugewinnen.
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Die
Transpondereinheit 1 erzeugt und sendet entsprechend ein
eigenes Feld 20, welches zumindest die Modulationsseitenbänder um
die Trägerfrequenz
fT oder die Modulationsseitenbänder um
eine Hilfsträgerfrequenz
fH, in der Regel aber die Modulationsseitenbänder beider
Hilfsträger
mitsamt der beiden Hilfsträger, umfasst.
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Solch
ein System kann vielseitig eingesetzt werden und vermeidet in vielen
Anwendungsfällen
die Notwendigkeit einer weiteren Schnittstelle im Lesegerät.
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Beispielsweise
kann sich in einem Gebäude,
in dem das System als Zugangssystem eingerichtet ist, jede zugangsberechtigte
Person mittels einer Transpondereinheit 1 in Form einer
Chipkarte kontaktlos authentisieren. Mit RFID-Lesegeräten des
Zugangssystems ausgestattete Türen
in dem Gebäude,
also auch Zufahrtstore, können
durch die Chipkarte so frühzeitig
geöffnet
werden, daß keine
Wartezeit für
ein automatisches Öffnen
der Tür
ensteht.
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Ein
weiteres Beispiel ist der Einsatz in Warenhäusern, Lager- oder Transportsystemen,
in denen respektive Artikel, Lager- oder Transportbehältnisse
mit einer erfindungsgemäßen Transpondereinheit
ausgestattet sind. So wird es möglich,
die Artikel oder Behältnisse
ohne größere Reichweitenbeschränkungen
insbesondere auch automatisch zu registrieren.
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Weiterhin
könnte
ein mobiles Terminal umfassend eine erfindungsgemäße Transpondereinheit
als Wartungs- oder Überwachungseinheit
verwendet werden, um eine Vielzahl von RFID-Lesegeräten, beispielsweise
an den Kassen eines Supermarktes oder eines Zugangssystems, auf
Funktionsfähigkeit
zu prüfen
oder aus der Ferne zu warten.
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2 zeigt
rein schematisch die Transpondereinheit 1, beispielsweise
in Form einer induktiv gekoppelten Chipkarte, welche die üblichen,
hier nicht explizit gezeigten Bestandteile umfasst. Zur Vereinfachung
ist lediglich eine erfindungsgemäße RFID-Transpondereinheit
in einer Chipkarte dargestellt. Die Transpondereinheit verfügt über eine
Batterie 2, eine induktive Antenne 3 sowie eine
elektronische Schaltung 4, 5, 6, 7.
Die elektronische Schaltung besteht im wesentlichen aus drei Funktionsblöcken, einem
Empfänger 4,
einer Steuerung 5 und einem Sender 6. Ein Schalter 7 dient
zur Umschaltung der Antenne 3 zwischen dem Empfänger 4 und
dem Sender 6.
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Der
Empfänger 4 ist
vorgesehen, ein vom Lesegerät 100 übertragenes
Signal zu demodulieren, um daraus Daten zu extrahieren. Die extrahierten
Daten werden an die Steuerung 5 weitergeleitet, welche
sie verarbeitet und an das Lesegerät 100 zu versendende
Daten erzeugt. Des weiteren übermittelt
die Steuerung 5 ein Steuersignal an den Schalter 7,
welcher zwischen Empfangs- und
Sendebetrieb der Transpondereinheit umschaltet. Es kann aber stattdessen
zum Senden eine separate Antenne vorgesehen werden. Als Steuerung 5 ist
beispielsweise ein Teil des Betriebssystem eines tragbaren Datenträgers, wie
einer Chipkarte, verwendbar.
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Der
Sender 6 besteht aus einem Oszillator 8, einem
Modulator, wobei zunächst
eine Ausführung
als Ringmodulator 9 beschrieben wird, und einem Endverstärker 10.
Desweiteren ist der Sender 6 der in 2 dargestellten
Transpondereinheit mit einer elektronischen Baugruppe 11 zum
Erzeugen und Modulieren eines Hilfsträgersignals erweitert, um die
Datenübertragung
von der Transpondereinheit zu einem Lesegerät 100 mit einem Hilfsträgersignal
durchzuführen.
Das Hilfsträgersignal
kann je nach Verwendung der Transpondereinheit unterschiedliche
Frequenzen besitzen, beispielswei se 848 kHz nach ISO 14443, 424
kHz nach ISO 15693 und 212 kHz für
LEGIC, aber gegebenenfalls auch ganz entfallen.
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In
der in 2 gezeigten Transpondereinheit ist vorgesehen,
dass die Baugruppe 11 mittels eines Frequenzteilers 12 die
Oszillatorfrequenz durch einen bestimmten Faktor teilt, beispielsweise
durch binäre
Teilung. Das dadurch erzeugte Hilfsträgersignal wird mit den zu sendenden
Daten, welche der Baugruppe 11 von der Steuerung 5 zugeführt werden,
moduliert.
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Die
Modulation des Hilfsträgers
in der Baugruppe 11 erfolgt beispielsweise in einem AND-Gatter 13 durch
eine sogenannte 100 % Amplitudentastung (Amplitude Shift Keying,
ASK). Dabei wird die Amplitude des durch Frequenzteilung erzeugten
Signals anhand der zu sendenden Daten zwischen zwei Zuständen „on" und „off" umgeschaltet. Alternativ
hierzu kann eine (B)PSK-Modulation, beispielsweise nach ISO 14443
Typ B, oder eine FSK-Modulation
erfolgen.
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Um
die aktiven Bauteile der Transpondereinheit zumindest teilweise
mit Energie zu versorgen und um die Energiereichweite zwischen der
Transpondereinheit 1 und dem Lesegerät 100 zu erhöhen, besitzt
der erfindungsgemäße Transpondereinheit
eine Batterie 2.
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Sowohl
das Oszillatorsignal wie auch das in der Baugruppe 11 erzeugte
ASK-modulierte Signal werden dem Ringmodulator 9 zugeführt, dessen
Schaltungsaufbau weiter unten anhand von 3 genauer
beschrieben wird.
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Der
Ringmodulator 9 hat die Besonderheit, dass er eine Sonderform
der Amplitudenmodulation durchführt.
Wie bei der üblichen
Amplitudenmodu lation werden im Frequenzspektrum betrachtet zwei
Spektrallinien im Abstand der Frequenz des ASK-modulierten Signals
um die Frequenz des Oszillatorsignals, die sogenannte Trägerfrequenz,
erzeugt. Bei der Amplitudenmodulation im Ringmodulator 9 wird
die Trägerfrequenz
des starken und energiereichen Oszillatorsignals weitgehend unterdrückt. Die
im ASK-modulierten
Signal enthaltenen, zu sendenden Daten befinden sich nach der Amplitudenmodulation
im Ringmodulator 9 in Seitenbändern um die zwei Spektrallinien
der Hilfsträgerfrequenz.
Eine solche Modulation wird Double-Side-Band-(DSB)-Modulation bzw. Double-Side-Band-Supressed-Carrier-(DSSC)-Modulation
genannt. Mit der Trägerfrequenz
werden keine Daten übertragen.
Vielmehr wird durch den Einsatz des Ringmodulators 9, der die
Trägerfrequenz
unterdrückt,
das Ziel erreicht, entweder mit geringerer Sendeleistung oder mit
deutlich erhöhter
Reichweite Daten an das Lesegerät 100 senden
zu können.
Die erhöhte
Reichweite ist vor allem dann möglich,
wenn die gesamte Sendeleistung in die Seitenbänder gesteckt wird, in denen
sich die zu sendenden Daten befinden. Zwar wird die Trägerfrequenz
grundsätzlich
zur Demodulation des Signals benötigt,
um im Lesegerät
die von der Transpondereinheit übermittelten
Daten zu extrahieren. Da die Trägerfrequenz
aber ohnehin im Lesegerät
vorliegt, ist es nicht notwendig, dass das Transpondersignal selbst
diese Frequenz enthält.
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Am
Ausgang des Ringmodulators 9 steht dann ein Ausgangssignal
zur Verfügung,
welches die zwei Modulationsseitenbänder enthält und mit einem durch Lastmodulation
bzw. Backscatter-Modulation erzeugten Signal (hinreichend genau)
identisch ist. Das durch den Ringmodulator 9 erzeugte Ausgangssignal
kann dann mittels des Verstärkers 10 ggf.
noch verstärkt
werden und über
den Schalter 7, welcher durch ein Signal der Steuerung 5 auf
den Sendebetrieb der Transpondereinheit umgeschaltet wird, der Antenne 3 zum
Versand der zu sendenden Daten zugeführt werden.
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Der
direkte Anschluss des Ausgangs des Ringmodulators an die Antenne
ist ebenso möglich.
Dann muss jedoch die Antenne entsprechend angepasst werden und eine
mögliche
Rückwirkung
des vom Lesegerät
eingekoppelten Signals auf den Ringmodulator beachtet werden, da üblicherweise
zum Senden und Empfangen die selbe Antenne genutzt wird und da das
Lesegerät
fortwährend
sendet.
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Die
Transpondereinheit 1 wird in einem ersten (Aktiv-)Betriebsmodus
als aktiv sendender Transponder betrieben. In einem zweiten (Passiv-)Betriebs-modus arbeitet die
Transpondereinheit dagegen wie ein gewöhnlicher passiver Transponder,
der eine Lastmodulation auf dem Feld des Lesegeräts ausführt.
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Beispielsweise
kann der Empfänger 4 zusätzlich als
herkömmlicher,
durch die Steuerung 5 angesteuerter Lastmodulator ausgebildet
sein. Die Steuerung 5 schaltet dann entweder den Sender 6 ein
und den Lastmodulator ab oder den Lastmodulator ein und den Sender 6 ab.
Der Schalter 7 wird dementsprechend geschaltet. Als Kriterium
für das
Umschalten von einem passiven in einen aktiven Betriebszustand kann
beispielsweise die empfangene Signalstärke, das Vorliegen und/oder
Ausreichen einer externen Spannungsversorgung (an einem optionalen
nicht gezeigten Anschluß Vcc)
oder das Ausreichen einer internen Spannungsversorgung (Ladezustand
der Batterie 2) dienen. Es ist somit beispielsweise möglich eine
Transpondereinheit 1 erst passiv zu betreiben und bei beispielsweise
unabsichtlich zunehmendem Abstand zum Lesegerät in einen aktiven Betriebsmodus
umzuschalten.
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Auch
die Art der Anwendung, für
welche die Daten übertragen
werden, kann ein Kriterium für
den Betriebsmodus sein. So sollte die Transponde reinheit bei sicherheitskritischen
Anwendungen nur im passiven Betriebsmodus arbeiten. Dagegen wird
eine unkritischere Anwendung, wie eine Prüfung der Zugangsberechtigung
zu Räumen
oder Gebäuden,
vorzugsweise im aktiven Betriebsmodus arbeiten. Ein Defaultwert
für den allgemein
oder aktuell bevorzugten Betriebsmodus sollte beispielsweise über ein
Endgerät,
in welches die Transpondereinheit eingesetzt oder integriert ist,
für den
Besitzer der Transpondereinheit wählbar sein. Das Umschalten
zwischen den aktiven und passiven Betriebsmodi erfolgt vorzugsweise
während
des Empfangs von Daten durch die Transpondereinheit, also im aktiven
oder passiven Empfangsbetrieb.
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In 3 ist
ein Prinzipschaltbild eines Ringmodulators 9 dargestellt.
Wie bereits beschrieben, ist das Wesentliche an der Verwendung des
Ringmodulators 9, dass er eine Amplitudenmodulation durchführt, wobei zwar
die Modulationsseitenbänder
eines Hilfsträgers
in gewohnter Weise erzeugt werden, die Trägerfrequenz jedoch weitestgehend
unterdrückt
wird. Beispielsweise kann in der erfindungsgemäßen Transpondereinheit ein
MC1496 Balanced Modulator der Firma ON Semiconductor eingesetzt
werden, der besonders gut zur Trägerunterdrückung geeignet
ist. Der Ringmodulator kann vollständig auf einem Transponderchip
integriert werden, wodurch ein erfindungsgemäßer Transponderchip bei vollständiger Integration
aller Bestandteile lediglich Anschlüsse für die Antenne 3 und
die Spannungsversorgung benötigt.
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Der
Eingang HF des Ringmodulators 9 wird mit dem hochfrequenten
Ausgangssignal des Oszillators 8 gespeist. Dabei entspricht
die Frequenz des Oszillatorsignals vorzugsweise genau der Sendefrequenz
des Lesegeräts 100 (z.B.
13,56 MHz). Der Eingang NF des Ringmodulators 9 wird mit
einem Da tensignal im Basisband (z.B. für Felica-System) oder mit einem
modulierten Hilfsträger
(z.B. bei ISO 14443, ISO 15693), wie oben beschrieben, gespeist.
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Vier
Dioden 14 sind im Ringmodulator 9 zu einem Ring
zusammengeschaltet, indem jeweils eine Anode an eine Katode der
folgenden Diode 14 angeschlossen ist. Eine Ecke der Diodenbrücke liegt
an Masse und das Signal am Eingang NF wird an der gegenüberliegenden
Ecke kapazitiv eingekoppelt. Um eine gute Trägerunterdrückung zu erzielen, wird das
Oszillatorsignal über
den Eingang HF über
eine einstellbare Widerstandsbrücke
eingekoppelt.
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Das
am Eingang NF in den Ringmodulator 9 eingespeiste Datensignal
im Basisband oder modulierte Hilfsträgersignal wird im Rhythmus
der Schwingung des Oszillatorsignals zwischen eigentlicher und invertierter
Form umgeschaltet, wodurch die Trägerfrequenz durch die somit
entgegengesetzten symmetrischen Spannungen aufgehoben wird. Eine
in 3 dargestellte Schaltung wird auch als Balance-Modulator
bezeichnet.
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4 zeigt
schematisch einen alternativen Aufbau des Senders einer Transpondereinheit
mit einem digitalem Ringmodulator.
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Unverändert gegenüber dem
Aufbau gemäß 2 wird
das binäre
Datensignal A durch ein AND-Gatter 43 mit einem Hilfsträgersignal
B verknüpft.
Das verknüpfte
Signal liegt an einem Ringmodulator 49 an. Als digitaler
Ringmodulator 49 kann ein XOR-Glied verwendet werden. Im
Unterschied zu dem Aufbau des Senders in 2 wird ein
Trägersignal
C nicht direkt an den Eingang des Ringmodulators 49 angelegt.
Vielmehr wird das Trägersignal
C in einem AND-Gatter 46 zunächst mit einem Datensignal
A verknüpft.
Diese Anordnung erzielt, wie unten genauer beschrieben, einen besseren Wirkungsgrad.
Das Ausgangssignal des Ringmodulators 49 wird in einem
Verstärker 40 verstärkt, bevor
es über
die Antenne 3 als Feld der Transpondereinheit ausgesendet
wird. Die Signaltypen A bis C werden im Folgenden beispielhaft mit
Bezug auf 5 näher beschrieben.
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5 zeigt
schematisch einen alternativen Sender einer Transpondereinheit ohne
Ringmodulator.
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Der
Sender dient der Erzeugung eines amplitudenmodulierten Signals,
wobei der dargestellte Sender vorzugsweise für binäre Datensignale A eingesetzt
wird, wodurch ein OOK-Signal (on-off-keying) bzw. ein 2-ASK Signal
entsteht. Das Datensignal A im Basisband (z.B. ein NRZ- oder Manchester-Signal), ein Hilfsträgersignal
B (z.B. 848 kHz bei ISO/IEC 14443) und ein Trägersignal C (z.B. 13,56 MHz
bei ISO/IEC 14443) werden mittels geeigneter Logikschaltungen 53, 59 AND-verknüpft, wobei
zuerst die Signale A und B mittels der Schaltung 53 AND-verknüpft werden,
woraus das Signal E entsteht. Das Signal E wird dann mit dem Signal
C mittels der Schaltung 59 AND-verknüpft, woraus das Signal D entsteht.
Funktional übernimmt
hier die Schaltung 59 die Funktion des Modulators und die
Schaltung 53 die Rolle des AND-Gatter 13 aus 2.
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Das
von einer Antenne 3 an ein Lesegerät ausgehende Signal D weist
dabei ein Frequenzspektrum auf, das einem mittels Lastmodulation
entstandenen Frequenzspektrum gleicht. Das Signal D kann mittels
eines Verstärkers 40 ggf.
noch verstärkt
werden. Der Verstärker 40 kann
beispielsweise ein Gegentaktverstärker mit digitalen Push-Pull
Ausgangsverstärkern
sein.
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6 zeigt
schematisch eine leichte Abwandlung des Senders der 5.
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In
dem Sender gemäß 5 wird
ein amplitudenmodulierten Hilfsträgersignals erzeugt, dagegen
erzeugt der in 6 gezeigte Sender ein phasenmoduliertes
Hilfsträgersignal.
Dieser Sender, wie auch der Sender der 5, wird
in einer erfindungsgemäßen Transpondereinheit
vorzugsweise nur dann eingesetzt, wenn das Datensignal A ein binäres Signal
ist. Dementsprechend erzeugt der dargestellte Sender ein BPSK-Signal (2-PSK,
Binary Phase Shift Keying). Dabei werden ein Hilfsträgersignal
B (z.B. 848 kHz bei ISO/IEC 14443) und ein Trägersignal C (z.B. 13,56 MHz
bei ISO/IEC 14443) mittels der Schaltung 69 AND-verknüpft. Das
Datensignal A im Basisband (z.B. NRZ- oder Manchester-Signal) schaltet
dabei – mit
Hilfe eines Schalters 63 und eines Inverters 64 – das Hilfsträgersignal
B zwischen einem invertierten und einem nicht-invertierten Zustand um.
Dies entspricht in der Wirkung einer Phasenmodulation um 180° (BPSK, binäre Phasentastung).
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Ein
Signal D, welches durch eine einfache AND-Verknüpfung des phasenmodulierten
Hilfsträgersignals
E mit dem Trägersignal
C entsteht und mittels der Antenne 3 ausgesendet wird,
weist vorteilhafterweise ein Frequenzspektrum auf, welches dem einer
Lastmodulation mit einem BPSK-modulierten
Hilfsträger
gleicht.
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Die
nachfolgende Tabelle zeigt einen Überblick über die logische Verknüpfung der
Signale, den Stromverbrauch und die Reichweite für unterschiedliche digitale
Modulationsschaltungen (Trägerfrequenz
TF = 13,56 MHz; Hiflsträgerfrequenz
HT = 868 kHz; Modulationssignal MS im Basisband und HIB = High Baudrates nach
ISO/IEC14443: 212, 424 und 868 kBit/s für Typ A und B identisch).
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Bei
der Datenübertragung
von einem Transponder zum Lesegerät wird nach ISO/IEC 14443-3/Typ
A bei der Initialisierungs-Bitrate von 106 kBit/s ein ASK-modulierter
Hilfsträger
(OOK, on-off-keying: HT ∩ MS) eingesetzt.
Wird dieses Signal entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren
aktiv nachgebildet, so können
die benötigten
Seitenbänder
am effektivsten mit einem Ringmodulator erzeugt werden. Die hierbei
entstehende Zweiseitenbandmodulation (DSB) sollte die besten Ergebnisse
hinsichtlich Kommunikationsreichweite zeigen, da dabei die Trägerfrequenz
(13,56 MHz) unterdrückt
wird und die verfügbare
Energie in den Seitenbändern
bereit gestellt wird.
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Würde man
einfach ein XOR-Glied als digitalen Ringmodulator in der Schaltungsanordnung
gemäß 2 verwenden,
so erhielte man eine schlechte Trägerunterdrückung bei dem untersuchten
Signal nach ISO/IEC 14443 – Typ
A. Dies rührt
vor allem daher, dass das Trägersignal
auch in den Modulationspausen, also zu 100 % der Zeit, ausgesendet
wird und zu einer unnötig
hohen Stromaufnahme.
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Bei
der Verwendung eines ASK-modulierten Hilfsträgers (OOK, z.B. 14443/TypA)
ist es in jedem Fall sinnvoll, das zur Einspeisung in den digitalen
Ringmodulator vorgesehene Trägerfrequenzsignal
TF mit dem Basisbandsignal MS mittels einer logischen UND-Verknüpfung zu
verknüpfen
(TF ∩ MS)
und das daraus resultierende Signal in den einen Eingang des digitalen
Ringmodulators einzuspeisen. Hierdurch ergibt sich eine Reduzierung
der Stromaufnahme auf 50 %, verglichen mit dem einfachen Ringmodulator.
Das HF-Signal wird dann nur zu den Zeitpunkten ausgesendet, zu denen
auch der Hilfsträger
eingeschaltet ist. Die Kommunikationsreichweite dieser Schaltung
entspricht exakt der Reichweite des einfachen digitalen Ringmodulators.
Die Trägerfrequenz
ist nun im Ausgangsspektrum deutlich unterdrückt, so wie es von einem Ringmodulator
zu erwarten ist. Eine derartige Schaltungsanordnung wurde bereits
mit Bezug auf 4 beschrieben.
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Der
ASK-Modulator wird, wie in 4 gezeigt,
durch eine UND-Verknüpfung aller
Eingangssignale realisiert. Das Ausgangssignal besteht nur mehr
aus Trägerfrequenzbursts
im Takt der Hilfsträgerfrequenz
und des Modulationssignals im Basisband. Hinsichtlich der Reichweite
müssen
Einbußen
hingenommen werden, die Reichweite sinkt auf 83 % verglichen mit
dem Ringmodulator. Die Stromaufnahme hingegen beträgt nur noch
25 % verglichen mit dem einfachen Ringmodulator. Diese Modulationsschaltung
erscheint somit als besonders vorteilhaft, da der Energieverbrauch
der Schal tung mit geringen Abstrichen in der Reichweite auf 25 %
gesenkt werden kann.
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Für ein externes
HF-Interface – beispielsweise
mit der später
genauer beschriebenen S2C-Schnittstelle – sollte bevorzugt ein ASK-Modulator
eingesetzt werden, da hierbei die Leistungsaufnahme am geringsten ist.
Wird das HF-Interface in einen Smart-Card-Chip integriert, oder
wird ein HF-Interface verwendet, welches das Signal (TF ∩ MS) bereit
stellt, so wird bei ausreichender Energie bevorzugt der optimierte
Ringmodulator eingesetzt werden. Soll dagegen Energie gespart werden,
so kann auch hier der ASK-Modulator
eingesetzt werden.
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Bei
einer Datenübertragung
von einem Transponder zum Lesegerät nach ISO/IEC 14443-3/Typ
B, sowie bei Baudraten von 212 kBit/s und höher, für die beiden Interfacetypen
A und B wird ein BPSK-modulierter Hilfsträger (Binary Phase Shift Keying)
eingesetzt.
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Bei
der aktiven Nachbildung eines solchen Signals erbringt auch hier
ein Ringmodulator die besten Ergebnisse hinsichtlich Kommunikationsreichweite.
Der digitale Ringmodulator zeigt ein gutes Verhalten hinsichtlich
der Trägerunterdrückung. Die
relative Stromaufnahme beträgt
jedoch 100 %, da während
der gesamten Dauer eines Bits HF-Energie abgestrahlt wird.
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Der
ASK-Modulator zeigt ein schlechtes Verhalten hinsichtlich der Trägerunterdrückung. Die
Stromaufnahme sinkt gegenüber
dem Digitalen Ringmodulator auf 50 %.
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Für BPSK-
oder auch FSK-modulierte Hilfsträger
soll bevorzugt ein ASK-Modulator
eingesetzt werden, da der Sender hierbei die geringste Stromauf nahme
benötigt.
Steht ausreichend Energie zur Verfügung, kann jedoch auch der
einfache digitale Ringmodulator eingesetzt werden. Ein optimierter
digitaler Ringmodulator ist nicht möglich, da bei PSK- oder FSK-Modulation
des Hilfsträgers,
dieser während
der gesamten Dauer eines Bits gesendet werden muss.
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Im
Folgenden wird mit Bezug auf die 7 bis 11 auf
vorteilhafte Möglichkeiten
eingegangen, eine erfindungsgemäße Schaltung
in Verbindung mit bekannten Komponenten zu verwirklichen.
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Es
gibt Smart-Card-Chips, die eine von der Firma Philips definierte,
sogenannte S2C-Schnittstelle aufweisen,
um den Smart-Card-Chip mit einer HF-Schnittstelle eines NFC-Geräts zu verbinden.
Derartige Smart-Card-Chips verfügen
zwar über
Hardwaremittel zum Erzeugen und Dekodieren von auf einer ISO/IEC 14443
Schnittstelle benötigten
Signalen (Miller Code, Manchester Code, Hilfsträger 848 kHz). Jedoch besitzt ein
solcher Chip keine eigene HF-Schnittstelleneinheit.
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7 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Transpondereinheit,
gebildet durch einen an eine Antenne 3 angeschlossenen
Interfacebaustein (Schnittstelleneinheit) 71 und einen
Chip 75 mit einer geeigneten Schnittstelle, beispielsweise
einer S2C-Schnittstelle. Eine derartige
Transpondereinheit kann beispielsweise in einem Mobilfunkgerät mit Hilfe
der SIM-Karte als Chip 75 gebildet werden, die dann vorzugsweise über eine
oder mehrere unbelegte Kontaktflächen
(C6 und/oder C4, C8) der SIM-Karte mit dem Interface-Baustein 71 verbunden
ist.
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Sowohl
der Interface-Baustein 71 als auch der Chip 75 können Ihre
Versorgungsspannung von dem Gerät
beziehen, in welchem sie vorzugsweise re versibel angeordnet sind.
Der Interfacebaustein 71 kann in einem zweiten Betriebsmodus
als gewöhnlicher
Transponder agieren und den Chip mit einer Betriebsspannung Vcc_RF
versorgen.
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8 zeigt
schematisch genaueren Aufbau eines Interfacebausteins für einen
Chip mit S2C-Schnittstelle.
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Der
Interfacebaustein 71 ist mit einem Signaleingang SIGIN
und einem Signalausgang SIGOUT ausgestattet, um Signale von der
Antenne zu dem Chip (nicht gezeigt) und vom Chip, welcher das modulierte
Hilfsträgersignal
generiert, zu der Antenne zu leiten. Ein Signal an SIGOUT besteht
aus einem 13,56 MHz TTL-Signal, welches gegebenenfalls ein Modulationssignal
eines entfernten Lesegerätes
enthält.
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Der
Interfacebaustein 71 umfaßt einen Verstärker 80,
ein AND-Gatter 89, einen Oszillator 88, einen Frequenzteiler 82,
einen Signalformer 84 und einen Schalter 87. Der
Verstärker 80 kann
beispielsweise ein Gegentaktverstärker mit (digitalen) Push-Pull
Ausgangsverstärkern
(nicht gezeigt) sein. Des weiteren besitzt der Interfacebaustein
zwei Antennenanschlüsse
LA und LB und eine Serienkapazität 81.
Darüber
hinaus besitzt der Interfacebaustein 71 Anschlüsse Vcc-in
und GND zur Energieversorgung und einen Steuereingang CTRL, um zwischen
einem Sende- und Empfangsbetrieb des Interfacebausteins mittels
des Schalters 87 umzuschalten.
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Das
extern modulierte Hilfsträgersignal
wird über
eine geeignete Schnittstelle (z.B. S2C Interface von Philips) an
den Signaleingang SIGIN des Interfacebausteins 71 geführt und
dort wie nachfolgend beschrieben weiter verarbeitet. Das Hilfsträgersignal
ist beispielsweise ein 848kHz TTL-Signal, welches ASK (ISO/IEC 14443
A, Manchester Code) oder BPSK (ISO/IEC 14443 B, NRC Code) moduliert
ist.
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Befindet
sich der Interfacebaustein im Sendebetrieb, d.h. es findet eine
kontaktlose Datenübertragung an
ein externes Lesegerät
oder ein NFC-Gerät
statt, so wird am Signaleingang SIGIN durch den Smart-Card-Chip
ein moduliertes Hilfsträgersignal
eingespeist und optional in einem Inverter 86 invertiert.
Das invertierte Signal E wird im AND-Gatter 89 als Trägerfrequenzmodulator
mit einem 13,56 MHz Trägerfrequenzsignal
verknüpft
und dem Verstärker 80 zugeführt.
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Die
Antenne 3 und die Serienkapazität 81 bilden einen
Reihenschwingkreis, welcher mit den Ausgängen LA' und LB' des Verstärkers 80 verbunden
ist, so dass der im Resonanzfall fließende HF-Strom im Antennenschwingkreis
nur durch die ohmschen Widerstände
in den Leitungen und im Verstärker 80 begrenzt
wird. Dadurch wird eine größtmögliche Sendeleistung
des Interfacebausteins erreicht.
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Ferner
kann dem Smart-Card-Chip über
den Schalter 87 im Sendebetrieb über den Ausgang SIGOUT ein
konstantes 13,56 MHz Taktsignal vom Oszillator 88 zugeführt werden,
sofern er ein solches (externes) Taktsignal zum Betrieb benötigt, um
einen genauen Takt (Timing) einzuhalten. Wie bereits beschrieben,
ist dies für
eine Kommunikation nach dem Standard ISO 14443 Typ A notwendig.
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Im
Empfangsbetrieb wird dem Smart-Card-Chip über den Schalter 87 und
den Ausgang SIGOUT ein digitalisiertes, von der Antenne 1 abgegriffenes
Empfangssignal zugeführt.
Der Signalformer 84 funktioniert dabei als Verstärker, um
auch schwache Signale empfangen zu können, und als Schwel lenschalter,
um am Ausgang des Signalformers ein digitales Ausgangssignal zur
Verfügung
zu stellen. Beispielsweise kann als Schwellenschalter ein Schmitt-Trigger
eingesetzt werden, der abhängig
vom Über-
bzw. Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellenwerts einen eindeutigen
High- bzw. Low-Pegel ausgibt.
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Über den
Steuereingang des Gegentaktverstärkers 80 werden
die Push-Pull-Ausgänge der
Ausgangstreiber (siehe Verstärkereinheiten
in 5) auf GND geschaltet, so dass aus der Antenne 3 und
dem Kondensator 41 ein Parallelschwingkreis entsteht. Um
Energie zu sparen, kann der Verstärker 80 im Empfangsbetrieb
des Interfacebausteins in einen Stromsparmodus geschaltet werden.
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Der
Oszillator 88 erzeugt das im Sendebetrieb benötigte 13,56
MHz Trägerfrequenzsignal.
Kann der Oszillator im Empfangsbetrieb nicht abgeschaltet werden,
da sein Einschwingvorgang ggf. zu lange dauert, so wird der Oszillator
im Empfangsbetrieb des Interfacebausteins bevorzugt auf einer Vielfachen
N des Trägerfrequenzsignals
(z.B. 27,120 MHz) betrieben, um das ggf. schwache Empfangssignal
nicht durch Übersprechen
zu stören.
Im Sendebetrieb kann dann durch Teilung des Oszillatorsignals durch
N mittels eines optionalen Teilers 82 das benötigte 13,56
MHz Signal erzeugt werden.
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Der
Steuersignaleingang CTRL für
ein Steuersignal ist optional, da sich das Steuersignal zum umschalten
des Betriebsmodus auch aus dem Eingangssignal am Signaleingang SIGIN
ableiten lässt.
Beispielsweise kann ein monostabiles Zeitglied (Monoflop) aus dem
Eingangssignal an SIGIN ein Steuersignal erzeugen. Es gibt nur dann
ein aktives Eingangssignal, wenn der Chip Daten senden möchte. Triggert
man nun mit der ersten Flanke des Eingangssignals das monostabile
Zeitglied, erhält
man als Ausgang des Zeitgliedes ein Steuersignal. Insbesondere sollte
das Zeitglied nachtriggerbar realisiert werden und so eingestellt
sein, dass es etwa nach einer Zeit von der 1 bis 2-fachen Bitdauer (maximal
der FGT, Frame Guard Time) in den Ausgangszustand zurückfällt. Somit
steuert das Steuersignal wieder einen Empfangsbetrieb an, wenn keine
Daten mehr gesendet werden.
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9 zeigt
schematisch den Aufbau eines Interfacebausteins zur Anbindung an
einen Chip mit herkömmlicher
HF-Schnittstelle.
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Die
erfindungsgemäße aktive
Transpondereinheit verfügt über einen
Empfangszweig und einen Sendezweig. Der Empfangszweig besteht aus
einer Antenne 3, einem Eingangsverstärker 91, einer automatischen
Verstärkungsregelung 92,
sowie einem Verstärker
der bevorzugt als Gegentaktverstärker
(V+, V–)
ausgeführt
ist. Ferner ist ein Transponderchip CL über seine Antennenanschlüsse mit
dem Gegentaktverstärker verbunden.
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Bei
dem Transponderchip CL handelt es sich um einen herkömmlichen
RFID-Chip entsprechend dem Stand der Technik. Er wird normalerweise
an seinen Anschlüssen
mit einer Antenne, z.B. in einer Chipkarte, verbunden. Ferner ist
der Transponderchip CL so ausgelegt, dass die Datenübertragung
von der Transpondereinheit zu einem Lesegerät mittels Lastmodulation durchgeführt wird.
Dies ist bei den üblichen,
auf 13,56 MHz oder auch 125 kHz eingesetzten RFID-Systemen ohnehin
fast immer der Fall (z.B. ISO/IEC 14443, ISO/IEC 15693, ISO/IEC
18000-3).
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Der
Sendezweig besteht aus einer Demodulationsschaltung 97,
einer Modulatorschaltung 9, einem Oszillator 8 (z.B.
13.56 MHz), einer Steuerung 95, sowie einem Sendeverstärker 80 verbunden
mit der Antenne 3. Die Demodulationsschatung 98 kann
zum Beispiel aus einem Gleichrichter 96 und einem Schwellwertschalter 97 bestehen.
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Im
Empfangsbetrieb wird in der Antenne 3 durch das magnetische
Feld eines entfernten RFID-Lesegerätes eine Spannung induziert.
Zusammen mit dem Kondensator 81 bildet die Antenne 3 einen
Parallelschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz in etwa der Sendefrequenz
des RFID-Lesegerätes
entspricht. Die so am Schwingkreis anstehende Spannung wird über den
Schalter 7 dem Eingangsverstärker 91 zugeführt. Über eine
Verstärkungsregung 92 wird
nun der Verstärkungsgrad
des Eingangsverstärkers 91 so
nachgeführt,
dass die Ausgangsamplitude der vom Eingangsverstärker 91 verstärkten Spannung
weitgehend konstant bleibt. Die Zeitkonstante der Regelung wird
dabei bevorzugt so eingestellt, dass die Ausgangsspannung des Verstärkers 91 zwar
bei unterschiedlicher Entfernung zum Lesegerät (d.h. unterschiedlich hohe
Induktionsspannung in der Spule 3 konstant bleibt, Modulationssignale
hingegen (z.B. 10 % ASK mit 106 kBit/s) durch eine zu schnelle Regelung
nicht unterdrückt
werden.
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Das
Ausgangssignal des Verstärkers 91 wird
einem weiteren Verstärker,
bevorzugt einem Gegentaktverstärker
(V+, V–)
zugeführt.
Das Ausgangssignal des Gegentaktverstärkers wird über (wenigstens) einen Serienwiderstand 93 den
Anschlüssen
des kontaktlosen RFID-Chips CL zugeführt. Die Amplitude des Ausgangssignals
des Gegentaktverstärkers
V+/V– ist
dabei so gewählt,
dass der RFID-Chip CL durch das Ausgangssignal mit ausreichend Energie
zum Betrieb versorgt werden kann.
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Der
RFID-Chip CL erhält
somit ein Signal, welches im Zeitverlauf dem Signal des entfernten
Lesegerätes
entspricht und sich diesem in der Amplitude proportional verhält. Der
RFID-Chip ist damit auch in der Lage, von diesem Lesegerät gesendete
Kommandos zu empfangen, auszuwerten und ggf. abzuarbeiten.
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Sobald
der RFID-Chip CL ein Kommando empfangen und abgearbeitet hat, versucht
er eine Antwort an das entfernte Lesegerät zurückzusenden. Hierzu verwendet
der RFID-Chip üblicherweise
eine Lastmodulation, d.h. ein zusätzlicher Parallelwiderstand
im Chip wird im Takt des Modulationssignals ein und ausgeschaltet.
Dies führt
zu messbaren Schwankungen im Spannungsabfall an den Widerständen 93, 94.
Mit anderen Worten, die HF-Wechselspannung
an den Anschlüssen
wird in der Amplitude moduliert. Durch die Demodulatorschaltung 98 wird
dieses amplitudenmodulierte Wechselspannungssignal demoduliert und
das ursprüngliche
Modulationssignal somit weder rekonstruiert.
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Die
Demodulationsschaltung 98 besteht im einfachsten Fall aus
einem Brückengleichrichter 96 und einem
Schellwertschalter 97. Eine weitere Möglichkeit besteht darin die
Demodulationsschaltung aus einem A/D-Wandler und einer nachfolgenden
Signalverarbeitung (z.B. einem DSP-Prozessor mit Software) zu realisieren.
Bei RFID- Systemen die mit Lastmodulation mit Hilfsträger arbeiten,
ist auch ein Ausfiltern eines durch die Lastmodulation entstandenen
Hilfsträgerbandes
(Oberes Hilfsträgerband
13.56 MHz + fHT, Unteres Hilfsträgerband –13,56 Mhz – fHT) und eine nachfolgende Verarbeitung möglich.
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Das
durch die Demodulationsschaltung 97 rekonstruierte Modulationssignal
wird auch einer Steuerung 95 zugeführt. Diese schaltet die erfindungsgemäße Schaltung
mit der ersten Flanke des Modulationssignal möglichst verzögerungsfrei
in einen Sendebetrieb um, so dass die vom RFID-Chip CL erzeugten
Daten auch an das entfernte Lesegerät übertragen werden können.
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Hierzu
wird zunächst
der Schalter 7 von der Antenne 3 auf den Oszillator 8 (13.56
MHz) umgeschaltet. Dies ist notwendig, um den RFID-Chip CL auch
weiterhin mit einer Wechselspannung der richtigen Frequenz versorgen
zu können.
Gleichzeitig wird durch die Steuerung 95 der Verstärker 80 aktiviert.
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Das
rekonstruierte Modulationssignal sowie das Signal des Oszillators 8 wird
der Modulatorschaltung 9 zugeführt. Die genaue Funktion einer
solchen Schaltung ist bereits ausführlich beschrieben worden.
Das Ausgangssignal der Modulatorschaltung 9 wird dem Verstärker 80 zugeführt und über die
Antenne 3 an das entfernte Lesegerät gesendet.
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Wird
der Steuerung 95 für
eine definierte Zeit t kein Modulationssignal mehr zugeführt, so
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
das diese die erfindungsgemäße Schaltung
automatisch wieder in den Empfangsbetrieb zurückschaltet. Die Dauer der Zeit
t wird zweckmäßigerweise
zwischen der Dauer eines Bits (ISO 14443-A: ~ 10 μs) und der
Frame Delay Time (minimale Zeit bis zum nächsten Signal eines Lesegerätes, ISO 14443-A:
~ 86 μs)
eingestellt.
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Ein
wichtige Rolle kommt dem an der Steuerung 95 vom Empfangszweig
(91, 92, V+, V–) eingehenden Signal zu. Sendet
ein Lesegerät
an die Transpondereinheit Daten mittels einer Amplitudenmodulation
des ausgesendeten Feldes (z.B. 150/IEC 14443-A: 100 % ASK, ISO/IEC
14443-B: 10 % ASK) so wird diese Modulation auch an den Transponderchip
CL weitergeleitet. Die Demodulationsschaltung 98 kann dabei
möglicherweise
nicht zwischen einem Modulationssignal von einem Lesegerät und einer
Lastmodulation des RFID-Chips CL unterscheiden, da sich beide als
Amplitudenmodulation des HF-Signals an den Anschlüssen des
RFID-Chips CL äußern.
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Eine
Lastmodulation des Transponderchips CL ist jedoch ausschließlich an
den Anschlüssen,
ein Modulationssignal des Lesegerätes hingegen bereits im Empfangszweig
(91, 92, V+, V–) der erfindungsgemäßen Schaltung
zu erkennen. Es ist daher vorgesehen, die erfindungsgemäße Schaltung
nur dann in den Sendebetrieb zu schalten, wenn ein Modulationssignal
(Amplitudenmodulation) ausschließlich an den Anschlüssen des RFID-Chips
CL, nicht jedoch im Empfangszweig detektiert werden kann, da es
sich nur in diesem Fall um eine Lastmodulation handelt. In 9 wird
dies durch das in die Steuerung 95 vom Empfangszweig (91, 92,
V+, V–)
eingespeiste Signal angedeutet.
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Eine
zweite Möglichkeit
zur Unterscheidung besteht in der Auswertung der Modulationstiefe
des Signals an den Anschlüssen
des RFID-Chips. Durch Lastmodulation wird eine Modulationstiefe
kleiner 100 % erreicht. Im Laboraufbau wurden ca. 25 % ermittelt,
andere Werte ergeben sich aus Kombination von unterschiedlichen
Widerständen 93, 94 mit
verschiedenen RFID-Chips
CL. Es ist daher vorgesehen, die Unterscheidung zwischen der Lastmodulation
und der Modulation des Lesegerätes
durch das Ermitteln der Modulationstiefe anhand von vorgegebenen
Schaltschwellen vorzunehmen. Liegt die Stärke des Modulationssignals über einer
ersten, hohen Schwelle, so liegt ein Signal des Lesegerätes vor.
Ist das Modulationssignal dagegen kleiner als die erste Schaltschwelle
und optional größer als
eine zweite Schaltschwelle, wird erkannt, dass eine Lastmodulation
vorliegt. Eine Umschaltung in den Sendebetrieb erfolgt, wenn die
Modulation durch eine Lastmodulation hervorgerufen wurde.
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10 zeigt
schematisch den Aufbau eines vereinfachten Interfacebausteins zur
Anbindung an einen Chip mit herkömmlicher
HF-Schnittstelle.
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In
dieser Ausführungsform
wird anstelle eines linearen Verstärkers ein TTL-Treiber in Gegentaktschaltung 23, 24, 25 eingesetzt.
Ein Modulationsdetektor 22 dient der Erkennung einer vom
Lesegerat gesendeten Amplitudenmodu-lation und schaltet erfindungsgemäß während der
Modulationspulse des Lesegerätes,
das eine 100 % ASK-Modulation ausführt, beide Ausgänge der
Gegentaktschaltungen 23, 24 auf einen Low-Pegel. Verwenden
dagegen der Transponderchip CL und das Lesegerät eine 10 %-ASK-Modulation
für die
Datenübertragung
(beispielsweise gemäß ISO/IEC
14443-B) so ist vorgesehen, dass der Modulationsdetektor 22 im Takt
der empfangenen Modulationssignale zwischen zwei Gegentaktschaltungen
mit unterschiedlichem Pegel des Ausgangssignals umschaltet.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Ankopplung des Transponderchips CL besteht in einer kapazitiven
oder auch induktiven Ankopplung. 11 zeigt
den relevanten Ausschnitt eines vereinfachten Interfacebausteins zur
induktiven Anbindung an einen Transponder.
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Für eine induktive
Ankopplung verfügt
die Schaltung über
eine zusätzliche
Antenne 29, welche mittels eines Kondensators 26 in
Resonanz zur Arbeitsfrequenz (z.B. 13,56 MHz) gebracht werden kann.
Ein Transponder, bestehend aus einem Transponderchip CL und einer
Antenne 28 wird in unmittelbarer Nähe der Antenne 29 positioniert,
so dass eine möglichst
gute magnetische Kopplung zwischen den Antennen 28 und 29 erreicht
werden kann. Auch bei dieser Anordnung kann eine Lastmodulation
des Transponderchips CL leicht detektiert werden.
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Der
induktiv koppelbare Interfacebaustein und eine damit verbundene
weitere Antenne (siehe Bezugszeichen 3 in 10)
kann in einem Endgerät
an geordnet sein. Die Reichweite eines gewöhnlichen Transponders kann
mit Hilfe eines solchen Endgerätes
erhöht
werden. Der Besitzer eines Mobilfunkgerätes könnte beispielsweise eine Kommunikation
zwischen seinem Transponder und einem ungünstig angeordneten oder aus anderen
Gründen
nicht komfortabel erreichbaren Lesegerät aufbauen, indem er den Transponder
an sein erfindungsgemäß mit einem
induktiv koppelbaren Interfacebaustein versehenes Mobilfunkgerät hält.
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Die
nachfolgende Tabelle zeigt Ergebnisse durchgeführter Reichweitenmessungen:
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Wie
aus der Tabelle abzulesen ist, werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch bei sehr kleinen Antennen große Kommunikationsreichweiten
erzielt.
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Es
wurde festgestellt, dass kleine Antennen, z.B. in einer SIM-Karte
mit eigener Antenne (ca. 15 × 25 mm2), mit einer herkömmlichen Lastmodulation nur
sehr geringe Lesereichweiten erreichen. Häufig ist es sogar unmöglich, mit
einem kontaktlosen Lesegerät
zu kommunizieren, wenn die SIM-Karte mit Antenne beispielsweise
in einem Mobilfunkgerät
angeordnet ist. Wird einer der erfindungsgemäßen Sender in einem mobilen
Endgerät
eingesetzt wird nicht nur die Reichweite deutlich erhöht. Zudem
kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass mobile Endgeräte wie Mobilfunkgeräte, PDAs,
etc. eine eigene Energieversorgung (Akku) besitzen, welche auch
zur Versorgung einer erfindungsgemäßen Schaltung verwendet werden
kann.
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Die
beschriebenen Lösungen
können
als Alternative zum Einsatz von NFC-Einheiten gesehen werden, die im aktiven
Modus des NFC-Sytems abwechselnd ihr Feld aussenden. Die vorliegenden
Lösungen können aber
auch als vorteilhafte Ergänzung
für den
passiven Modus in einem NFC-System dienen.
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So
könnte
eine NFC-Einheit angepasst sein, in ihrem passiven Modus in der
Rolle („Being
Card"), in welcher
die NFC-Einheit eine Lastmodulation ausführen soll, sich im Sinne der
vorliegenden Lösungen
zu verhalten. Die NFC-Einheit
könnte
beispielsweise stets als aktiv ein eigenes Feld aussendende Komponente agieren.
Ebenso könnte
die NFC-Einheit aber auch zwischen einem ersten Untermodus, der
einer herkömmlichen
Lastmodulation entspricht, und einem aktiv sendenden, zweiten Untermodus,
in welchem die Lastmodulation vorgetäuscht wird, unterscheiden und
gegebenenfalls umschalten. Eine derart verbesserte NFC-Einheit kann
mit Hilfe des geänderten
passiven Betriebsmodus auch mit gewöhnlichen RFID-Lesegeräten über eine
höhere
Reichweite hinweg kommunizieren. Da NFC-Einheiten für ein selbständiges Senden
in ihrem herkömmlichen
aktiven Modus bereits bestimmte Einheiten – wie beispielsweise einen
Oszillator, einen Verstärker und
eine Steuerung – aufweisen
werden, sind verhältnismäßig wenige
Modifikationen einer NFC-Schaltung erforderlich, um eine Schaltung
im Sinne der vorliegenden Anmeldung in einer NFC-Einheit zu realisieren.
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Teilaspekte
der einzelnen Ausführungsformen
sind untereinander kombinierbar, wie es anhand der Beispiele in
den nachfolgenden Absätzen
deutlich wird.
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Eine
geeignete Modulatorschaltung kann bezogen auf den Anwendungsfall
in beispielsweise den oben genannten Komponentenkombinationen gewählt werden.
Auch die verschiedenen gezeigten Arten von Hilfsträgermodulatoren
und Trägerfrequenzmodulatoren
können
in einem Modulator theoretisch beliebig kombiniert werden. Ob ein
passiver Betriebsmodus vorgesehen wird sowie unter welchen Bedingungen
und wie eine Umschaltung erfolgt, ist ebenfalls abhängig vom
Anwendungsfall wählbar.
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Die
einzelnen funktionalen Komponenten der Transpondereinheit: Antenne,
Schnittstelleneinheit, Chip und gegebenenfalls Spannungsversorgungseinheit
können
in verschiedensten Kombinationen separat voneinander oder gemeinsam
in einer Einheit integriert angeordnet sein. Eine erfindungsgemäße Transpondereinheit
kann beispielsweise als besonders ausgebildeteter Transponder, in
einem tragbaren Datenträger,
insbesondere einer Chipkarte, gebildet sein, der optional eine Batterie
aufweist. Eine tragbarer Datenträger,
insbesondere eine SIM-Karte, mit Chip und Schnittstelleneinheit
kann in einem mobilen Endgerät
mit einer externen Spannungsquelle und/oder einer externen Antenne
verbunden werden. Die Schnittstelleneinheit kann in einem Endgerät angeordnet,
mit einer eigenen oder einer externen Antenne verbunden sein, und
mit einem Chip kommunizieren, der reversibel oder fest im Endgerät oder temporär am Endgerät angeordnet
ist.
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Mit
Bezug auf die 13 bis 19 werden
im Folgenden Verbesserungen beschrieben, die insbesondere für den in 12 gezeigten
Anwendungsfall vorteilhaft sind. In 12 wird
eine mit einem Endgerät verbindbare
Mas senspeicherkarte als Transpondereinheit gezeigt. Als analoge
Anwendungsfälle
sind folgende tragbaren Datenträger
zu sehen: eine SIM-Karte, ein Sicherheitsmodulfür ein Zahlungsverkehrsterminal, ein
Sicherheitsmodul (TPM – Trusted-Platform-Modul)
für einen
Computer oder ein mit einem Endgerät verbindbarer USB-Token, sofern
sie ebenfalls erfindungsgemäß angepasste
Mittel zur drahtlosen Datenkommunikation aufweisen. Daher wird im
Folgenden zumindest teilweise der Oberbegriff „tragbarer Datenträger" verwendet und auf
die Darstellung der optional vorhandenen Komponenten Massenspeicher 122 und
zugeordnete Steuereinheit 124 verzichtet.
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13 zeigt
den Aufbau des Interfacebausteins 121 aus 12.
Der Interface-Baustein 131 umfasst einen Verstärker 130,
eine Signalverarbeitungseinheit 136, eine Schaltungseinheit 134 für den herkömmlichen passiven
Betriebsmodus, die typischerweise einen Gleichrichter, einen Demodulator
und einen Lastmodulator umfaßt,
und eine Auswahleinheit 135. Der Interface-Baustein erhält eine
externe Versorgungsspannung Vcc-MMC über einen Eingang Vcc_MMC und
stellt eine eigene Versorgungsspannung gegebenenfalls über einen
Ausgang Vcc_out bereit.
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Die
Massenspeicherkarte 120 aus 12 kann
somit aus zwei möglichen
Energiequellen versorgt werden. Sie erhält ihre Versorgungsspannung
entweder von der Energieversorgung 128 des Endgeräts 127 (VCC-MMC)
oder aus einem externen Hochfrequenzfeld (VCC-HF).
-
Die
in 13 gezeigte Auswahleinheit 135 wertet
aus, ob eine Versorgungsspannung VCC-MMC vorliegt und schaltet ein
internes Auswahlsignal (enable) des Interface-Bausteins 131 vorzugsweise
abhängig
von dem Vorliegen der durch das Endgerät bereit gestellten Spannungsversorgung.
Abhängig
von dem internen Auswahlsignal verwendet der Interface-Baustein 138 entweder
einen passiven Betriebsmodus (passive Schnittstelleneinheit 134 aktiviert
und Verstärker 130 sowie
Signalverarbeitung 136 deaktiviert) oder den erfindungsgemäßen aktiven
Betriebsmodus (passive Schnittstelleneinheit 134 deaktiviert
und Verstärker 130 sowie Signalverarbeitung 136 aktiviert).
Die Auswahleinheit 135 kann des weiteren auswerten, ob
die externe Spannungsversorgung Vcc-MMC in ausreichender Höhe vorliegt
und gegebenenfalls sogar deren zeitliche Entwicklung auswerten.
-
Befindet
sich die Massenspeicherkarte 120 aus 12 in
dem Endgerät 127,
bezieht es seine Versorgungsspannung aus der Energieversorgung 128.
Die Auswahleinheit 135 schaltet den Verstärker 130 und
die Signalverarbeitungseinheit 136 ein, um die zu übertragenden
Daten in dem aktiven Betriebsmodus zu senden.
-
Ist
die Massenspeicherkarte 120 dagegen nicht in einem Endgerät eingesetzt
oder aber bekommt sie nicht ausreichend Energie von einem Endgerät geliefert,
erfolgt die Versorgung der Massenspeicherkarte 120 aus
der Energie des empfangenen Hochfrequenzfeldes. Die Auswahleinheit 135 schaltet
den Verstärker 130 und
die Signalverarbeitungseinheit 136 aus und aktiviert die
Kommunikationseinheit 134, um beispielsweise eine herkömmliche
Lastmodulation eines vorliegenden Hochfrequenzfeldes durchzuführen.
-
Optional
kann eine Batterie der Massenspeicherkarte ergänzend zur Energieversorgung
herangezogen werden. In dem passiven Betriebsmodus arbeitet die
Massenspeicherkarte 120 also wie ein herkömmlicher
aktiver oder passiver Transponder. Die Auswahleinheit 135 kann
angepasst sein, dass Auswahlsignal abhängig von einer zur Verfügung stehenden
Batteriespannung und/oder Energiekapazität der Batterie zu gestalten.
-
Alternativ
oder ergänzend
kann das Signal zur Auswahl des Betriebsmodus unabhängig von
einer gemessenen Spannungsversorgung vorgegeben werden. Das Auswahlsignal
kann sowohl in Antwort auf ein von der Massenspeicherkarte 120 empfangenes
Kommando erzeugt werden als auch in Abhängigkeit von der gerade auf
der Steuereinheit 125 ausgeführten Anwendung erzeugt werden.
Die Auswahl des passiven Betriebsmodus kann für bestimmte Anwendungen, die
aus Sicherheitsgründen
nur über
sehr kurze Distanzen Daten kontaktlos austauschen sollen, gewählt werden.
Eine solche Anwendung könnte
beispielsweise eine elektronische Geldbörse sein. Eine zweite Anwendung
auf der Steuereinheit 125, beispielsweise ein Fahrschein
eines öffentlichen
Personennahverkehrssystems, kann dagegen den aktiven Betriebsmodus
auswählen,
um die erhöhte
Reichweite auszunutzen.
-
Es
kann sogar sinnvoll sein, einen Vorgabewert für das Auswahlsignal vorzusehen.
Beispielsweise für eine
Massenspeicherkarte, die eine Fahrscheinanwendung als Defaultanwendung
nach ihrer Aktivierung verwendet und keine Batterie aufweist, ist
es sinnvoll, den Vorgabewert so zu wählen, dass der passive Betriebsmodus
voreingestellt ist. Hat die Massenspeicherkarte dagegen eine – zumindest
im vollständig
geladenen Zustand ausreichend leistungsstarke – Batterie, sollte durch den
Vorgabewert der aktive Betriebsmodus der Massenspeicherkarte ausgewählt werden.
-
Eine
Steuerung des Auswahlsignals kann auch verwendet werden, um selektiv
die Reichweite für
ein bestimmtes Zeitfenster einer Transaktion zu erhöhen oder
zu erniedrigen. Als Zeitfenster kann eine einleitende Phase, eine
zentrale Phase oder eine abschließende Phase der Transaktion
gewählt
sein. Beispielsweise erfolgt in der einleitenden Phase ein Aufbau
der Kommunikationsverbindung und eine Authentisierung, in der zentralen
Phase ein Abbuchen (eines Fahrscheins) und in der abschließenden Phase
ein Protokollieren der Transaktion und ein Abbau der Kommunikationsverbindung.
-
Arbeitet
beispielsweise eine Fahrscheinanwendung zunächst im aktiven Modus, so kann
dieser Modus für
eine Phase der Annäherung
der Massenspeicherkarte 120 an ein Lesegerät des Fahrscheinsystems verwendet
werden. Da bereits in einem größeren relativen
Abstand mit der zu einer Fahrscheintransaktion gehörigen Kommunikation
begonnen werden kann, verkürzt
sich die für
die Fahrscheintransaktion benötigte
Zeit.
-
Sobald
die Auswahleinheit 135 der Massenspeicherkarte 120 einen
vorgegebenen Wert für
eine kontaktlose Spannungsversorgung durch ein HF-Feld erkennt,
erzeugt sie ein entsprechendes Auswahlsignal, um die Massenspeicherkarte
in den passiven Betriebsmodus umzuschalten. Der vorgegebene Wert
kann so gewählt
werden, dass sichergestellt ist dass sich die Massenspeicherkarte
innerhalb der Kommunikationsreichweite des Lesegerätes befindet,
welches das HF-Feld aussendet.
-
Zusätzlich oder
alternativ zu einem Umschalten durch die Auswahleinheit 135 kann
beispielsweise die Fahrscheinanwendung ein Umschalten in den passiven
Betriebsmodus zumindest für
einen bestimmten Zeitraum, vorzugsweise die zentrale Phase, der
Transaktion erzwingen. Somit könnte
insbesondere gewährleistet werden,
dass ein Fahrschein nicht versehentlich bei einem zufälligen Annähern an
ein Fahrscheinlesegerät entwertet
wird, sondern nur wenn nach einer groben Annäherung auch ein gezieltes Annähern in
den Kommunikationsbereich des Lesegerätes erfolgt.
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Schließlich ist
es auch denkbar den aktiven Betriebsmodus für den Zeitraum am Ende einer
Transaktion zu verwenden, um zu vermeiden, dass eine an sich erfolgreiche
Transaktion nicht vollständig
abgeschlossen werden kann. Verschiedene Kombinationen der zeitabhängigen Auswahl
des Betriebsmodus für
bestimmte Phasen können
abhängig
vom Transaktionstyp sinnvoll sein.
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Mit
Bezug auf 14 werden insbesondere Möglichkeiten
beschrieben, einen Betriebsmodus selektiv zu deaktivieren. Eine
Deaktivierung kann ergänzend
oder alternativ zu einer Auswahl des Betriebsmodus erfolgen.
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14 zeigt
einen tragbaren Datenträger 140,
der reversibel verbunden ist mit einem Endgerät 147 mit eigener
Kontaktlosschnittstelle für
die Nahbereichskommunikation 148, 149. Das Endgerät 147 weist
neben einer Energieversorgung 128 und einer Steuereinheit 129 eine
Schnittstelleneinheit 149 auf, welche vorzugsweise eine
NFC-Schnittstelleneinheit ist und an welche eine Antenne 148 angeschlossen
ist. Das Endgerät 147 kann
somit abhängig
von dem gewählten
Betriebsmodus („Being
Reader", „Being
Card" und „Peer-to-Peer") der kontaktlosen
Schnittstelleneinheit 149 in unterschiedlichen Rollen in
einem NFC-System oder einem RFID-System auftreten.
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In
dem tragbaren Datenträger 140 sind
die Antenne 123, der Interface-Baustein 121 und die Steuereinheit 125 angeordnet.
Der tragbare Datenträger 140 wird
optional durch die Energieversorgungseinheit 128 mit einer
Versorgungsspannung VCC-MMC versorgt. Die Steuereinheit 129 des
Endgeräts 147 ist
zumindest mit dem Interface-Baustein 121 und optional auch
mit der Steuereinheit 125 des tragbaren Datenträgers verbunden.
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Wenn
die Schnittstelleneinheit 149 des Endgerätes 147 im
Modus „BeingReader" arbeitet, könnte ein nicht
in das Endgerät 147 eingesetzter
tragbarer Datenträger 140 mit
dem Endgerät 147 drahtlos
kommunizieren.
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Ist
dagegen der tragbare Datenträger 140 wie
dargestellt in das Endgerät 147 eingesetzt,
so ist eine solche kontaktlose Kommunikation in der Regel nicht
erwünscht.
Eine kontaktlose Kommunikation zwischen dem tragbaren Datenträger 140 in
seinem eingesetzten Zustand und dem Endgerät 147 wäre sogar
schädlich, da
das Auslesen anderer kontaktloser Datenträger, die sich ebenfalls im
Ansprechfeld des Endgerätes 147 befinden,
erschwert oder sogar verhindert wird. In jedem Fall würde zumindest
die Performance der kontaktlosen Schnittstelle des Endgeräte leiden,
da zunächst
eine Kollision zwischen den dann vorhandenen zwei kontaktlosen Transpondern
(eingesetzter tragbarer Datenträger 140 und
externer RFID-Transponder) aufgelöst werden müsste. Des weiteren kann es
unerwünscht
sein, daß sowohl
der tragbare Datenträger 140 als
auch das Endgerät 147 als
NFC-Einheit im Modus „BeingCard" mit einem externen
Lesegerät
kommunizieren.
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Es
ist vorgesehen, einer der beiden im System aus Endgerät 147 und
tragbarem Datenträger 140 vorhandenen
kontaktlosen Schnittstellen 148, 149 und 121, 123 eine
erhöhte
Kommunikationspriorität
einzuräumen.
Die jeweils andere kontaktlose Schnittstelle kann gegebenenfalls
dauerhaft oder zeitweise deaktiviert werden. Die Priorität einer
Schnittstelle sollte vorzugsweise temporär vergeben werden. So kann
es beispielsweise vorteilhaft sein, zu einem ersten Zeitpunkt einer
NFC-Schnittstelle des Endgerätes
eine höhere
Priorität zuzuordnen,
wenn sich dieses in einem bestimmten Modus, insbesondere dem Modus „BeingReader" befindet. Zu einem
zweiten Zeitpunkt soll dagegen der kontaktlosen Schnittstelle des
tragbaren Datenträgers 140 eine
höhere
Priorität
zugeordnet werden. Für
die Priorisierung der Schnittstellen wird in dem System aus Endgerät 147 und
tragbarem Datenträger 140 ein
Deaktivierungssignal für
eine der beiden kontaktlosen Schnittstellen erzeugt.
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Ein
erstes Kriterium, welche Schnittstelle zu bevorzugen ist, kann die
auszuführende
Applikation sein. So kann es beispielsweise sinnvoll sein, mit einigen
Anwendungen bevorzugt über
den tragbaren Datenträger 140 zu
kommunizieren, beispielsweise für
Zahlungsverkehrsanwendungen. Andere Anwendungen werden dagegen bevorzugt über die
kontaktlose Schnittstelle des Endgerätes kommunizieren, wenn beispielsweise
Software für
das Endgerät 147 geladen
werden soll. Ein weiteres Kriterium kann auch der Speicherort der
ausgeführten
Anwendung sein. So ist es gegebenenfalls für eine auf der Steuereinheit 125 des
tragbaren Datenträgers 140 laufende
Anwendung einfach, über
die eigene Kontaktlos-Schnittstelle 121 mit einem externen
kontaktlosen Lesegerät
zu kommunizieren. Umgekehrt kann es für eine Anwendungs-Software,
die durch die Steuereinheit 129 des Endgerätes 147 ausgeführt wird,
einfacher sein, die (NFC-)Schnittstelleneinheit 149 des Endgerätes 147 zu
verwenden.
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Ein
weiteres Kriterium zur Festlegung der Priorität der kontaktlosen Schnittstellen
kann der Betriebsmodus („Being
Reader", „Being
Card" und „Peer-to-Peer") der (NFC-)Schnittstelleneinheit 149 des
Endgerätes 147 sein.
Auch Vorgaben, die der Benutzer des Endgerätes 147 beispielsweise
im Rahmen einer Gerätekonfiguration
ausgewählt
hat, können
als Kriterium verwendet werden.
-
Zur
Umschaltung der Priorität
zwischen den beiden kontaktlosen Schnittstellen sind verschiedene
Verfahren anwendbar.
-
Gemäß einem
ersten Ansatz sendet die Steuereinheit 125 des tragbaren
Datenträgers 145 über die interne
Kommunikationsschnittstelle 141 ein Kommando zur Deaktivierung
oder (Re-)Aktivierung der kontaktlosen Schnitt stelle an die Schnittstelleneinheit 121.
Die kontaktlose Schnittstelle des Endgerätes 147 erlangt eine
höhere
Priorität,
da die kontaktlose Schnittstelle des tragbaren Datenträgers 125 vollständig deaktiviert wird.
Ein Wiedereinschalten der kontaktlosen Schnittstelle des tragbaren
Datenträgers 140 durch
die Steuereinheit 125 kann automatisch mit dem Empfang
eines beliebigen weiteren Kommandos oder eines hierfür speziell
bestimmten Kommandos über
die Kontaktschnittstelle 143 erfolgen.
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Gemäß einem
zweiten Ansatz wird die Schnittstelleneinheit 121 des tragbaren
Datenträgers 140 unter Umgehung
der Steuereinheit 125 aktiviert oder deaktiviert durch
ein spezielles Freigabe- oder Deaktivierungssignal. Bei dem Freigabesignal
kann es sich beispielsweise um ein logisches Signal (Pegel hoch
oder niedrig) handeln. Wiederum erlangt die kontaktlose Schnittstelle
des Endgerätes 147 eine
höhere
Priorität
durch die Deaktivierung der kontaktlosen Schnittstelle des tragbaren
Datenträgers 140.
Ein solches Deaktivierungssignal kann auch kurzzeitig angelegt werden,
beispielsweise zu einem Zeitpunkt, in welchem die kontaktlose Schnittstelleneinheit 149 des
Endgerätes
ein REQUEST-Signal sendet, um eine Kommunikationsverbindung zu einem
möglicherweise
anwesenden externen Transponder aufzubauen.
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Gemäß einem
dritten Ansatz wird die interne Versorgungsspannung VCC_MMC, welche
dem tragbaren Datenträger
zugeführt
wird, unterbrochen. Ergänzend
zu der Unterbrechung der Spannungsversorgung müssen jedoch weitere Schritte
erfolgen, um die Aktivierung der kontaktlosen Schnittstelle des
tragbaren Datenträgers
durch ein externes hochfrequentes Feld eines Lesegerätes oder
durch das hochfrequente Feld des Endgerätes zu unterbinden. Beispielsweise
können
in dem tragbaren Datenträger 140 nicht
dargestellte Mittel vorgesehen sein um zu erkennen, daß der tragbare
Daten träger
in ein Endgerät
eingesetzt ist. Eine solche „Eingebaut-Erkennung" wird später näher beschrieben.
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15 zeigt
einen tragbaren Datenträger 150 mit
einer internen Antenne 123, die an ein Endgerät 157 mit
einer für
den tragbaren Datenträger
verwendbaren externen Antenne 158 ausgestattet ist. Der
tragbare Datenträger
kann wahlweise die interne Antenne 123 oder die externe
Antenne 158 des Endgerätes 157 zur
kontaktlosen Datenübertragung
verwenden.
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In
der in 15 gezeigten Ausführungsform
weist der tragbare Datenträger 150 Prüfmittel 151 auf,
die angepaßt
sind zu prüfen,
ob der tragbare Datenträger 150 an
eine externe Antenne 158 angeschlossen ist. Die gezeigte
beispielhafte Ausgestaltung eines solchen Prüfmittels 151 macht
sich die typische Eigenschaft einer RFID-Antenne für den Frequenzbereich
13,56 MHz zunutze, wonach der Gleichstromwiderstand einer solchen Antenne
in der Regel nur wenige Ohm beträgt.
Zur Prüfung
wird ein Anschluß der
Antenne mit einem hochohmigen Pull-Up-Widerstand 153 auf
die Versorgungsspannung WC gelegt. Der zweite Anschluß wird mit
einem Schalttransistor 156 zeitweise auf Masse (GND) gelegt.
Besteht zwischen den beiden Anschlußtakten eine galvanische Verbindung
durch eine niederohmige Antenne 158, so kann der Schaltvorgang
des Transistors als Potentialwechsel (Spannungssprung) am Eingang
einer Auswertungsschaltung 154, beispielsweise in Form eines
Schmitt-Triggers, detektiert werden.
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Es
ist eine weitere Möglichkeit,
dem tragbaren Datenträger 150 zumindest
zu einem ersten Zeitpunkt, beispielsweise nach dem Einschalten des
Endgerätes 157, über die
kontaktbehaftete Schnittstelle ein spezielles Kommando zur Auswahl
der Antenne zu senden. Wird ein solches Kommando nicht gesendet,
weil beispielsweise eine externe Antenne 158 nicht zur
Verfügung
steht oder weil der Benutzer des Endgerätes eine entsprechend Benutzerkonfiguration
gewählt
hat, bleibt die interne Antenne 123 des tragbaren Datenträgers ausgewählt. Ein
weiteres spezielles Kommando sollte für das Zurückschalten von der externen
Antenne 158 auf die interne Antenne 123 vorgesehen
sein, um auch ein mehrfaches Umschalten zwischen den Antennen zu
ermöglichen.
-
Ein
dritter Ansatz zur Umschaltung zwischen den verfügbaren Antennen besteht in
der Verwendung eines einfachen Schaltsignals (Pegel hoch oder niedrig),
welches an einen explizit dafür
vorgesehenen Anschluß der
Kontaktschnittstelle des tragbaren Datenträgers angelegt werden kann.
Dieses Schaltsignal kann beispielsweise auf einen festen Pegel gelegt
werden, um das Vorhandensein bzw. Fehlen einer externen Antenne
anzuzeigen. Ein solches Schaltsignal ermöglicht dem Endgerät je nach
Bedarf, also insbesondere abhängig
vom Betriebszustand des Endgerätes 157 oder
von der Benutzerkonfiguration, eine Auswahl der Antenne zu treffen.
-
Mittel
zur Erkennung, ob der tragbare Datenträger in ein Endgerät eingebaut
ist (Eingebaut-Erkennung) werden zunächst allgemein erläutert und
anschließend
mit Bezug auf die 16 bis 18 näher beschrieben.
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Für verschiedenste
Funktionen kann es wichtig sein zu erkennen, ob der tragbare Datenträger in ein Endgerät eingebaut
ist, oder ob der tragbare Datenträger unabhängig von einem Endgerät betrieben
wird. Es ist daher vorgesehen, in dem tragbaren Datenträger mindestens
zwei Betriebsmodi („unabhängiger" Betrieb und „abhängiger" (eingebauter) Betrieb)
vorzusehen. Diese beiden Betriebsmodi können zunächst unabhängig von einem möglichen
aktiven oder passivem Betriebsmodus des tragbaren Datenträgers wählbar sein.
In der Regel wird jedoch der unabhängige Betriebsmodus fest mit
dem passiven Betriebsmodus verbunden sein, da die Energieversorgung
des tragbaren Datenträgers
durch das Feld des kontaktlosen Lesegerätes erfolgt.
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Nach
einem Betriebsstart (Hochfahren) des Endgerätes befindet sich das Endgerät entsprechend
der MMC-Spezifikation im sogenannten „Card Identification Mode". In diesem Modus
sucht das Endgerät
nach (neuen) mit ihm verbundenen Karten. Eine erfindungsgemäße Massenspeicherkarte
wird daher zunächst
im unabhängigen
Betriebsmodus gestartet. Wenn über
die Kontaktschnittstelle ein Kommando SET RCA empfangen wird, wechselt
die Massenspeicherkarte in den abhängigen Betriebsmodus.
-
Für eine SIM-Karte
als tragbarer Datenträger
kann als Umschaltkriterium vom unabhängigen in den abhängigen Betriebsmodus
das Anlegen einer Reset-Sequenz auf der Kontaktschnittstelle oder
auch der Empfang einer ersten APDU über diese Schnittstelle verwendet
werden.
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Optional
kann ein Wechsel von einem unabhängigen
in einen abhängigen
Betriebszustand von einer erfolgreichen Authentisierung abhängig gemacht
werden. Die Authentisierung kann eine gegenseitige Authentisierung
zwischen Endgerät
und tragbarem Datenträger
sein, es sollte aber zumindest eine Authentisierung des Endgerätes gegenüber dem
tragbaren Datenträger
umfassen. Eine solche Authentisierung vor Umschaltung des Betriebszustandes
kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn das Endgerät beispielsweise
zum Zweck der PIN-Eingabe besonders vertrauenswürdig sein muß.
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In
den 16 und 17 sind
die elektrischen Beschaltungen der Kontaktschnittstelle einer MMC 162, 172 als
Massenspeicherkarte durch einen Host 161, 171 als
Endgerät
für den
MMC-Modus respektive den SPI-Modus gemäß MultiMediaCard-Spezifikation
gezeigt.
-
In
einem weiteren Verfahren zur Erkennung eines eingebauten Zustandes
eines tragbaren Datenträgers
wird der Zustand zumindest einer der Kontakte der Kontaktschnittstelle überprüft, um den
Betriebsmodus entsprechend zu wählen.
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Im
Fall der gezeigten Massenspeicherkarten 162, 172 wird
zu einem Zeitpunkt, der nach dem Hochfahren des Endgerätes 161, 171 liegt,
also zumindest eine der Leitungen CMD, DAT, CLK, VCC_MMC, VCC1, VSS1,
VSS2 überprüft. Beispielsweise
befinden sich die Leitungen CMD, DAT im Ruhezustand durch einen Pull-Up-Widerstand
auf einem hohen Pegel. Die Leitung VCC1 befindet sich auf einem
hohen Pegel und die Leitung VSS1 auf einem niedrigen Pegel. Entspricht
wenigstens einer der Pegel dem für
den eingebauten Zustand erwarteten, so wechselt die Massenspeicherkarte 162, 172 in
den abhängigen
(„Eingebaut")-Betriebsmodus.
Andernfalls oder wenn beispielsweise die gemessenen Pegelwerte nicht
einer erwarteten Kombination der Pegelwerte entsprechen verbleibt
die Massenspeicherkarte 162, 172 in dem unabhängigen Betriebsmodus.
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In 18 ist
eine weitere Möglichkeit
für eine
Eingebaut-Erkennung dargestellt. Um zu erkennen, ob ein tragbarer
Datenträger 180 in
ein Endgerät 187 eingebaut
ist, wird der logische Pegel eines Kontakts, der beispielsweise
mit einem Pull-Up-Widerstand 181 beschaltet sein kann,
abgefragt. Wird der Kontakt durch einen Schalter 188 in
dem Endgerät 187 auf
einen niedrigen Pegel (GND) gezogen, so kann dies vom tragbaren Datenträger 180 detektiert
werden.
-
Anstelle
des Schalters 188 kann auch eine direkte Verbindung auf
Masse (GND) im Endgerät 187 verwendet
werden. Der Schalter 188 kann durch eine Benutzerkonfiguration
des Endgeräts 187 einstellbar
sein. Weiterhin kann der Schalter 188 so ausgelegt sein,
daß er
nur bei durch die Energieversorgung 128 vorhandener Batteriespannung
in dem Endgerät 187 den
Kontakt zur Erkennung eines eingebauten Zustands auf Masse schaltet.
Eine solche Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da der tragbare
Datenträger 180 bei
vorhandener Batteriespannung in dem Endgerät – unabhängig davon, ob das Endgerät gerade
ein- oder ausgeschaltet ist – immer
den Zustand „eingebaut" erkennt und den
abhängigen
Betriebsmodus wählt.
Bei einer entladenen Batterie hingegen wird der unabhängige Betriebsmodus
gewählt,
so daß in
dem tragbaren Datenträger 180 gegebenenfalls
andere Softwarefunktionen verfügbar
werden (beispielsweise ein Notfallbetrieb). Die Möglichkeit
der Einstellung des Schalters über
eine Benutzerkonfiguration sowie die Überwachung der Batteriespannung
kann auch logisch verknüpft
und somit miteinander kombiniert werden.
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In
einer weiteren Variante ist der Schalter 188 ein mechanischer
Schalter, beispielsweise ein DIP-Schalter oder Schiebeschalter.
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Der
tragbare Datenträger 180 soll
sich in dem abhängigen
Betriebsmodus anders verhalten als in dem unabhängigen Betriebsmodus. Insbesondere
können
Zugriffsrechte auf Programmteile und/oder Daten des Dateisystems
abhängig
vom Betriebsmodus gestaltet sein. So kann es beispielsweise sinnvoll
sein, bestimmte Daten über
die kontaktlose Schnittstellen 121, 123 nur dann
beschreiben zu können,
wenn der tragbare Datenträger 180 in
einem Endgerät 187 eingebaut
ist und der tragbare Datenträger 180 diesen
Zustand auch erkannt hat. Die Änderungen
der Daten können
dem Benutzer über
eine nicht dargestellte Anzeigevorrichtung des Endgeräts 187 angezeigt
wer den. Auf dem tragbaren Datenträger 180 sind Programmteile
und/oder Daten mit komplexen Zugriffsberechtigungen versehen. In
diesen Zugriffsberechtigungen kann festgelegt werden, in welchem
Betriebsmodus (unabhängig,
abhängig,
aktiv, passiv, aktiv abhängig,
passiv abhängig
oder passiv unabhängig)
ein bestimmtes Programmteil aufgerufen werden darf, oder ob Daten
in diesem Betriebszustand gelesen, geschrieben, gelöscht oder
verwendet werden dürfen.
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19 zeigt
eine verbesserte Schaltung für
einen Interface-Baustein, beispielsweise im Sinne von 8,
die es ermöglicht,
den benötigten
Oszillator über
eine PLL-Schaltung mit dem empfangenen Signal eines Lesegeräts zu synchronisieren.
Der Oszillator benötigt
daher keinen eigenen Schwingquarz.
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Ein
Interface-Baustein 191 ist mit einer Antenne 3 verbunden.
Der Interface-Baustein 191 umfasst
einen Verstärker 80,
eine Signalverarbeitungseinheit 198 sowie eine modifizierte
Oszillatorschaltung. Die modifizierte Oszillatorschaltung 192 bis 197 umfaßt einen
spannungsgesteuerten Oszillator 193, einen ersten binären Teiler 194 (1/n),
einen zweiten binären
Teiler 195 (1/m), einen Phasenkomparator 196,
einen Tiefpassfilter 197 sowie eine Sample-and-Hold-Schaltung 192.
Als Sample-and-Hold-Schaltung 192 kann beispielsweise eine
herkömmliche
Schaltung mit der Bezeichnung LF 198 von der Firma National
Semiconductor verwendet werden.
-
Die
Oszillatorschaltung 192 bis 197 ist durch ein
von der Signalverarbeitung 191 empfangenes Schaltsignal 199,
welches an die Sample-and-Hold-Schaltung 192 angelegt
ist, zwischen den Zuständen „Empfangsbetrieb" und „Sendebetrieb" umschaltbar.
-
Über die
Antenne 3 wird das 13,56 MHz-Signal eines entfernten Lesegeräts empfangen
und über
eine Signalaufbereitung 84, beispielsweise in Form eines
Schmitt-Triggers, der Signalverarbeitung zugeführt. Durch den zweiten binären Teiler 195 wird
aus dem empfangenen Signal ein Referenzsignal, beispielsweise mit
der Frequenz 6,87 MHz, erzeugt und dem Phasenkomparator 196 zugeführt. Der
spannungsgesteuerte Oszillator 193 erzeugt eine zweite
Frequenz, welche bevorzugt höher
als 13,56 MHz ist und beispielsweise 27,12 MHz betragen kann. Durch
den erstsen binären
Teiler 194 wird aus dem Signal des Oszillators ein zweites
Referenzsignal, beispielsweise mit der Frequenz 6,87 MHz, erzeugt
und ebenfalls dem Phasenkomparator 196 zugeführt. Der
Phasenkomparator 196 erzeugt aus der Phasen- und Frequenzdifferenz
der beiden Referenzsignale eine Regelspannung, welche in einem Tiefpaß 197 geglättet und
anschließend
der Sample-and-Hold-Schaltung 192 zugeführt wird.
-
Die
Sample-and-Hold-Schaltung 192 wird im Empfangsbetrieb erfindungsgemäß im Sample-Modus betrieben
und fungiert dabei als Spannungsfolger, so dass die Regelspannung
unverändert
dem spannungsgesteuerten Oszillator 193 zugeführt wird.
Dies hat zur Folge, daß der
Oszillator 193 nach einer kurzen Regelzeit phasenstarr – im Frequenzverhältnis m
zu n der beiden binären
Teiler – an
die Frequenz des externen Lesegerätes angekoppelt (synchronisiert)
ist.
-
Im
Sendebetrieb wird die Sample-and-Hold-Schaltung 192 erfindungsgemäß im Hold-Modus
betrieben. Die zuvor im Empfangsbetrieb ermittelte Regelspannung
wird nun gehalten, so daß der
Oszillator 193 die eingestellte Frequenz beibehält. Durch
den ersten binären
Teiler 194 wird die Frequenz des Oszillators 193 auf 13,56
MHz herabgeteilt und der Signalaufbereitung zugeführt.
-
Zugunsten
der Lesbarkeit der vorliegenden Beschreibung wurden die einzelnen
vorteilhaften Merkmale und Anordnungen nicht in jeder Ausführungsform
wiederholt dargestellt, diskutiert und kombiniert.