JP3670454B2 - 非接触ｉｃカードシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロードスイッチ方式を用いた非接触ＩＣカードシステムに係わり、特にリーダライタユニット（以下ＲＷＵと記述する）でのデータ復調装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣカード内には電源をもたず、ＲＷＵ（リーダライタユニット）より電磁誘導などにより非接触で電力を伝送し、その電力でＩＣカードを動作させる非接触ＩＣカードシステムが開発されている。このシステムのＲＷＵの構成を図５に、非接触ＩＣカードの構成を図６に示す。ＲＷＵからは、搬送波発振器５の出力が変調器４を経由しパワーアンプ３で増幅され、ＲＷＵのコイルアンテナ１から送出される。図６の非接触ＩＣカードのコイルアンテナがＲＷＵのコイルアンテナ１に近づくと、ＲＷＵから電磁誘導で電力が伝達される。非接触ＩＣカードのコイルアンテナはコンデンサＣと並列共振回路を形成し、共振周波数は受信した搬送波の周波数に同調し、効率のよい受信を行う。この並列共振回路で受けた受信電力はブリッジ整流器で整流されて直流電源となり、平滑コンデンサで脈流が平滑されレギュレータで一定電圧に安定化されて制御部や復調器に供給されている。
【０００３】
ＲＷＵと非接触ＩＣカードの間ではデータ伝送も行われる。ＲＷＵから非接触ＩＣカードへデータを伝送するには、図５で電力を送出しているＲＷＵの搬送波発振器５の出力を、制御部１２からの送信データにしたがい変調器４で振幅変調する。非接触ＩＣカードではコイルアンテナで受信した電力用搬送波から変調成分を取り出し、復調器で復調する。また、送信データのクロックは、クロック抽出回路により取り出される。
一方、非接触ＩＣカードからのデータの送出には、ロードスイッチ方式が使われることが多い。このロードスイッチ方式とは、非接触ＩＣカードのコイルアンテナで電力を受信する場合に、受信インピーダンスを送出するデータにより変化させ、ＲＷＵ側では送出した電力搬送波の送出出力振幅が変化するのを検出する方式である。例えば図６の制御部は、データ“１”を送出する場合は何もしないが、データ“０”を送る場合は、スイッチを接続し、コイルアンテナに並列に接続されているコンデンサＣにさらに並列にコンデンサＣ１とＣ２の直列回路を付加する。コンデンサＣ１とＣ２の直列回路が並列に付加されると、非接触ＩＣカードの受信コイルアンテナの共振周波数が変わるので、電力を受信する受信インピーダンスが変化し、電磁結合しているＲＷＵ側のコイルアンテナ１の負荷が変化する。そのためパワーアンプ３の送出電圧値が変化し、その変化を下記のようにしてＲＷＵで検出することで、非接触ＩＣカードからのデータ信号を受信することができる。
【０００４】
ＲＷＵでのデータ受信は、コイルアンテナ１とパワーアンプ３の間に設けられた結合器２を介して行われる。コイルアンテナ１と電磁結合している負荷が変化することによるパワーアンプ３の送出電圧の振幅の変化を復調するためには、非同期検波方式や同期検波方式が用いられるが、同期検波方式の方が検波効率がよい。通常の同期検波方式では、受信した変調波から搬送波成分を、ＰＬＬ（フェーズロックループ）回路などで抽出し、受信変調波と掛け算を行うことで変調されたデータ信号成分を取り出すが、ロードスイッチ方式では、受信変調波は、電力を送信する搬送波発振器からの搬送波であるので、搬送波成分を新たに抽出する必要はない。すなわち、図５で、結合器２で負荷変動により振幅が変化した送出電圧を取り出し、搬送波発振器５の出力と掛け算器７で掛け算を行わせる。掛け算器７の出力から、ＬＰＦ（低域ろ波器）８で高周波成分を取り去り、アンプ９で増幅し、コンパレータ１０でデータを判定する。受信データは整形器１１で波形整形され制御部１２で受信される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ロードスイッチ方式における非接触ＩＣカードからのデータ伝送は、非接触ＩＣカードからは搬送波を新たに送出することなくデータを送出できるので極めて簡便な方式であるが、もともとＲＷＵとＩＣカードの電磁結合が小さく、電力を受信するときの受信インピーダンスを変化させるだけであるので、変調度を大きくすることができない。すなわちＲＷＵの電力用の搬送波出力に大きな振幅変化を与えることがむずかしい。そのため、ＲＷＵでのデータ復調は変調度が浅く困難な面があった。特にＲＷＵのコイルアンテナ１と非接触ＩＣカードのコイルアンテナの距離が離れ、電磁結合が弱まると、ＲＷＵ側での復調はきわめてむづかしくなった。
【０００６】
本発明の目的は、ロードスイッチ方式のデータ受信において、変調が浅い場合にもより良好なデータの復調を行うことができるＩＣカードシステムを提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、リーダライタユニットとそのリーダライタユニットより電磁結合で電力を供給される非接触ＩＣカードからなる非接触ＩＣカードシステムであって、
非接触ＩＣカードでは、そのアンテナ負荷を送信データに応じて可変する事により、リーダライタユニットからみた負荷の変化に少なくとも位相変化が生じるようにしてデータを送信し、
リーダライタユニットでは、前記データを受信し、データが１のときの出力振幅とデータが０のときの出力振幅の差が最大になるような移相量を予め求め、該移相量を変化させた搬送波を用いて復調することを特徴とする非接触ＩＣカードシステムを開示する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明になる非接触ＩＣカードシステムのＲＷＵの構成図である。この構成が図５の従来のＲＷＵの構成と異なっているのは、搬送波発振器５と掛け算器７の間に移相器６が挿入されている点であり、他は同じである。以下、図１を用いて本発明のシステムに於けるデータ復調方法を説明する。
【０００９】
図６で示したように、非接触ＩＣカードのコイルアンテナに並列に挿入されているコンデンサを変化させるロードスイッチ方式では、コンデンサの容量が変わることでコイルアンテナとの並列共振周波数が電力用に受信している搬送波の周波数からずれ、ＲＷＵのコイルアンテナ１から送出される搬送波の振幅と位相に変化が生ずる。図１の結合器２で検出されたロードスイッチ方式の変調波を e(t)とおくと、 e(t)は次式で表わされる。
【数１】
e(t)=Ao(1+m)cos(ωct+θ）
ここで、Aoは搬送波の振幅、ωcは搬送波の角周波数である。mとθは非接触ＩＣカードでコンデンサを変化させたときに搬送波に生じる振幅変化分と位相変化分で、送出データ“１”のときは、m＝０、θ＝０、送出データが“０”のときは、m＝mo θ＝θoになるものとする。この変調波e(t)は掛け算器７へ入力される。搬送波発振器５からの出力をcosωctとすると、移相器６を通過し、位相がφだけ移相した信号y(t)は、y(t)＝cos(ωct+φ）となる。このy(t)が掛け算器７でe(t)と掛け算されると以下の式になる。
【数２】
e(t)×y(t)=Ao(1+m)cos(ωct+θ）×cos(ωct+φ） =｛Ao(1+m)/2｝×｛cos(2ωct+θ+φ）+cos(θ-φ)｝
2ωcの成分をＬＰＦ（低域ろ波器）８で取り除くと、ＬＰＦ８の出力である復調出力データb（t）は次式になる。
【数３】
b(t)=｛Ao(1+m)/2｝×cos(θ-φ)
出力データとしては、データ“１”のときの出力振幅とデータ“０”のときの出力振幅の差Ｄが大きければ、コンパレータ１０で検出しやすい。そこで上記の出力振幅差Ｄを求めると以下の式になる。
【数４】
Ｄ=(Ao/2)×cos(-φ)-｛Ao(1+mo)/2｝×cos(θo-φ)
この式から明らかなように、移相器６の移相量φを変化させると、振幅差Ｄが変化することがわかる。すなわち、最大のＤの値が得られる移相量φを移相器６で設定すれば効率の良いデータ復調装置が得られることになる。
【００１０】
以下に、（数４）を用いて具体的な値を計算してみる。（数４）で搬送波振幅Ao＝２と仮定する。moやθoの値は、図６の非接触ＩＣカードのコイルアンテナと並列のコンデンサＣによる並列共振回路のＱや、並列に挿入されるコンデンサC１、C２の値により定まる。いまmo＝-0.1 とすると、出力振幅差Ｄは以下の式になる。
【数５】
Ｄ=cos(φ)-0.9cos(θo-φ)
このデータ“１”のときの振幅とデータ“０”のときの出力振幅の差Ｄは、コンパレータ１０の入力でのデータ出力振幅に相当するので、この値が大きいとコンパレータ１０でデータ“１”かデータ“０”かの識別がしやすくなる。そこで（数５）のＤの値を、θoが90°、30°、0°の場合に、φを変化させて計算してみると図２、図３、図４となる。これからまず、図２のθoが90°の場合には、移相器６での移相量φを0°から360°まで変化させると、出力振幅差Ｄは図に示すように変化する。最大値は移相量が318°の場合で1.345となる。一方、移相器６で位相を移相しない場合、すなわち従来方式と同様のφ＝０°のときの出力振幅差Ｄは、図２から１である。従って、移相器６で位相を318°移相させると出力振幅差Ｄを1.345倍にすることができることを示している。
【００１１】
図３はθoが30°の場合である。図２と同様に移相器６での移相量φを0°から360°まで変化させると、出力振幅差Ｄの最大値は移相量が296°のときで0.501であることがわかる。移相量φが０°の場合の出力振幅差Ｄは0.22であるので、２倍以上の出力振幅差が得られている。また、図４はθoが0°の場合である。これは位相の変化がないことを意味する。この場合は、移相器６での移相量φも0°のときが最大の出力振幅差Ｄが得られているが、その値は0.1ときわめて小さいことがわかる。
【００１２】
以上の図２、３、４の結果より、ロードスイッチ方式で、搬送波が振幅変化のみしかない場合は、本発明の方法を用いても効果はないが、振幅変化とともに位相変化をもともなうときは、本発明により著しい効果があることがわかる。図６に示したような、非接触ＩＣカードでのデータ伝送に、コイルアンテナに並列に挿入されるコンデンサの値を変化させるロードスイッチ方式を用いた場合は、振幅変化と位相変化の両方の変化が搬送波にあるので、本発明の復調方法はきわめて有効である。
【００１３】
【発明の効果】
本発明により、振幅変調における振幅変化分以上の復調出力振幅がえられるので以下の効果がある。
（１）ＲＷＵのコイルアンテナのC／N比が小さくても良好な受信が行える。
（２）ＲＷＵと非接触ＩＣカードの距離が離れてもデータの伝送ができるので非接触ＩＣカードのサービスエリアを広くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に成る非接触ＩＣカードシステムのリーダライタユニットの構成例を示す図である。
【図２】θが90°の場合の搬送波の位相を０°から３６０°まで移相したときのデータの出力振幅差を示す図である。
【図３】θが30°の場合の搬送波の位相を０°から３６０°まで移相したときのデータの出力振幅差を示す図である。
【図４】θが0°の場合の搬送波の位相を０°から３６０°まで移相したときのデータの出力振幅差を示す図である。
【図５】従来方式のリーダライタユニットの構成図である。
【図６】非接触ＩＣカードの構成図である。
【符号の説明】
１ ＲＷＵのコイルアンテナ
２ 結合器
３ パワーアンプ
４ 変調器
５ 搬送波発振器
６ 移相器
７ 掛け算器
８ ＬＰＦ（低域ろ波器）
９ アンプ
１０ コンパレータ
１１ 整形器

Claims (1)

1. リーダライタユニットとそのリーダライタユニットより電磁結合で電力を供給される非接触ＩＣカードからなる非接触ＩＣカードシステムであって、
   非接触ＩＣカードでは、そのアンテナ負荷を送信データに応じて可変する事により、リーダライタユニットからみた負荷の変化に少なくとも位相変化が生じるようにしてデータを送信し、
   リーダライタユニットでは、前記データを受信し、データが１のときの出力振幅とデータが０のときの出力振幅の差が最大になるような移相量を予め求め、該移相量を変化させた搬送波を用いて復調することを特徴とする非接触ＩＣカードシステム。

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