JP4020096B2 - 無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、特定周波数帯のマイクロ波を用いた電波通信方式による無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法に係り、特に、比較的近距離の機器間において低消費電力の通信動作を実現する無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法に関する。

さらに詳しくは、本発明は、読取装置側からの無変調キャリヤの送信と、送信装置側におけるアンテナの終端操作に基づく受信電波の吸収と反射を利用したバック・スキャッタ方式によりデータ通信を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法に係り、特に、読取装置側における送信機雑音の影響を除去して受信感度を向上させるとともに通信距離を拡張する無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法に関する。

局所でのみ適用可能な無線通信手段の一例として、ＲＦＩＤを挙げることができる。ＲＦＩＤとは、タグとリーダとから構成されるシステムで、タグに格納された情報をリーダで非接触に読み取るシステムである。他の呼び方として、「ＩＤシステム、データ・キャリヤ・システム」などがあるが、世界的に共通なのが、このＲＦＩＤシステムである。略してＲＦＩＤという場合もある。日本語に訳すると「高周波（無線）を使用した認識システム」となる。タグとリーダライタの間の通信方法には、電磁結合方式、電磁誘導方式、電波通信方式などが挙げられる（例えば、非特許文献１を参照のこと）。

ＲＦＩＤタグは、固有の識別情報を含んだデバイスであり、特定周波数の電波を受信したことに応答して識別情報に相当する変調周波数の電波を発振する動作特性を持ち、読み取り装置側でＲＦＩＤタグの発振周波数を基にそれが何であるかを特定することができる。したがって、ＲＦＩＤを用いたシステムでは、ＲＦＩＤタグに書き込まれている固有のＩＤを利用して、物品の判別や所有者の判別などを行なうことができる。現在、ＲＦＩＤシステムは、入退室を管理するシステムや、物流における物品識別システム、食堂などでの料金清算のシステム、ＣＤやソフトウェアなどの販売店での無断持ち出し防止システムなど、多数のシステムで利用されている。

例えば、送受信及びメモリ機能を備えたＩＣチップと、該チップの駆動源と、アンテナとをパッケージ化して無線識別装置を小型に製作することができる（例えば、特許文献１を参照のこと）。この無線識別装置によれば、物品などに関するさまざまのデータをアンテナ経由でＩＣチップの受信手段に送信し、その出力をメモリに蓄積しておくとともに、必要に応じてメモリ内のデータを読み出して、アンテナを介して無線で外部に供給することができる。したがって、物品などの存在や位置を迅速且つ容易に確認したり追跡したりすることが可能である。

ＲＦＩＤシステムは、ＲＦＩＤのタグと、タグ・リーダで構成される。タグは、タグ・リーダより送信された無変調の電波ｆ_oを受信すると、整流され、直流電源に変換され、この直流電源を動作電源に用いることができる。そして、タグ側では、送信データのビット・イメージに従ってアンテナの終端操作を行ない、受信電波の吸収と反射を利用してデータを表現する。すなわち、データが１の場合は、アンテナをアンテナ・インピーダンスで終端し、タグ・リーダからの電波を吸収される。また、データが０の場合は、アンテナの終端をオープン状態とすることで、タグ・リーダからの電波を反射する。タグからは、バック・スキャッタ方式による反射により、タグ・リーダからの送信信号と同一周波数の信号が戻されることになる。このように到来した電波の反射又は吸収のパターンによってデータを表現する通信方法は「バック・スキャッタ方式」と呼ばれる。このようにして、タグは無電源で内部の情報をリーダ側に送ることが可能となる。

従来、バック・スキャッタ方式の無線通信システムは、通信範囲が比較的近距離に限定されることから、ＲＦＩＤタグに代表されるように、物品や人などの識別や認証に適用されることが多かった。

他方、ＲＦＩＤのタグは一般的に無電源で、電力はリーダからの電波により供給される。この電力を装置内のバッテリから供給することにより、バック・スキャッタ方式による低消費電力の無線データ伝送を実現することができる。すなわち、バック・スキャッタ方式の無線通信は、通信距離を限定するならば、極めて消費電力の低い無線伝送路を確立することができるという特徴も備えている。最近では、実装技術の向上とも相俟ってメモリ機能を搭載したＩＣチップが出現し、さらにこのメモリ容量が増大してきている。したがって、識別・認証情報のように比較的短いデータの通信を行なうだけでなく、一般的なデータ伝送にもバック・スキャッタ方式の通信を採り入れたいという要望がある。例えば、デジタル・カメラ、携帯電話から、ＰＣ、プリンタ、ＴＶなどへの画像伝送に有効である。

ところで、バック・スキャッタ方式に基づく通信システムは、アンテナの終端操作に基づく受信電波の吸収と反射を利用してデータ通信を行なうことを基本動作としており、通常はリーダからのキャリヤの周波数と反射波の中心周波数は同じであるが、リーダ側では送信受信を同一周波数で行なうことになる。

このような場合、受信部では、送信側から回り込んだ送信周波数の影響を受ける上、電力強度が弱い反射波を処理しなければならない。すなわち、受信部では、ＤＣオフセット、送信機雑音の影響を受け易く、伝送距離を伸ばすことが困難となる。また、バック・スキャッタ方式での変調方式は一般的にはＡＳＫ、ＰＳＫによるものがほとんどで、高速化するのが困難である。

図７には、従来のバック・スキャッタ方式の無線通信システムの構成例を示している。

参照番号５００はモバイル機器側の無線送信装置、参照番号５１０はリーダ側の無線送受信装置であり、無線送信装置５００から無線送受信装置５１０にバック・スキャッタ方式によってデータ伝送を行なうものとする。

無線送信装置５００は、デジタル・カメラなどのアプリケーション部５０３に接続される。同様に、無線送受信装置５１０は、プリンタなどのアプリケーケーション部５１９に接続されている。

無線送受信装置５１０は、アンテナ５１１、送信波と受信波を分離するサーキュレータ５１２、受信部５１４、受信部５１４と送信部５１７との送受共通のローカル発振器５１３とベースバンド処理部５１８で構成される。図示の例では、受信部５１４、送信部５１６ともにダイレクト・コンバージョン方式を用いるとする。さらに、受信部５１４は直交復調部５１５とＡＧＣアンプ５１４で構成される。無線送信部５００への無変調キャリヤの送信は、ベースバンド処理部５１８より送信部５１７をオンにすることにより、ローカル発振器５１３の周波数ｆ_oをサーキュレータ５１２経由でアンテナ５１１から送信することにより行なわれる。

送信された無変調キャリヤｆ_oは、無線送信部５００に到達する。無線送信部５００は、アンテナ５０１と、バック・スキャッタ変調器５０２で構成される。 バック・スキャッタ変調器５０２は、アプリケーション部５０３の送信データに従って、バック・スキャッタによるＡＳＫ又は、ＰＳＫ、ＱＰＳＫ変調を行なう。 変調は、ダイオード、ＧａＡｓスイッチなどのオン／オフ操作により簡単に構成することができる。このようして、最終的にアンテナ５０１から反射される変調波は、無変調キャリヤの中心周波数ｆ_oを中心に生成される。

無線送受信装置５１０では、中心周波数ｆ_oのバック・スキャッタされた変調波がアンテナ５１１、サーキュレータ５１２、及び受信部５１４で受信される。 直交復調部５１５には、ローカル発振器５１３の周波数ｆ_oが入力され、ダイレクト・コンバージョン受信が行なわれ、ベースバンド信号のＩ'、Ｑ'の各信号が生成される。

このベースバンド信号のＩ'、Ｑ'信号は、後段のＡＧＣアンプ５１６で所望のレベルに増幅され、ベースバンド信号のＩ、Ｑ信号が得られ、ベースバンド処理部５１８に渡される。ベースバンド処理部５１８では復調が行なわれ、受信データと受信クロックがアプリケーション部５１９に送られる。

ここで、送信部１１７からの無変調キャリヤｆ_oは、サーキュレータ１１２を通ってアンテナ１１１より放射されるが、受信部５１１側にも回り込む。この回り込みは、サーキュレータ５１２である程度は軽減することができるが、その値は無限ではなく、２０ｄＢ程度のアイソレーションが現実的な値である。

図７には、リーダ側における周波数スペクトラムを併せて示している。参照番号５２０は直交復調部５１５の入力端での周波数スペクトラムである。参照番号５２１はバック・スキャッタで反射された変調波で、例えばＢＰＳＫ変調波であり、参照番号５２２が無変調キャリヤである。変調信号５２１が小さいときには、無変調キャリヤ５２１の方が大きな値となる。

この無変調キャリヤｆ_oは、直交復調部５１５に入り、ローカル発振器５１３のローカル周波数ｆ_oとミックスされ、大きな直流電圧を生成する。これがＤＣオフセットとなり、直交復調器５１５の動作に大きな悪影響を与える。このため、微小な変調信号は歪んでしまい復調が困難となり、伝送距離を伸ばすことを阻害する大きな原因となる。

このような問題を解決する１つの方法として、タグ側で、受信周波数ｆ_oを所定の中心周波数ｆ_sだけ正負いずれかの方向に周波数シフトさせて、反射波を送り返すという方法が挙げられる。この場合、タグ・リーダ側では、受信反射波の周波数は送信周波数と同一ではなくなるので、ＤＣオフセット、送信機雑億の影響を回避して、感度よく反射波を受信処理することができるので、伝送距離を伸ばすことが可能となる。

例えば、一度サブキャリヤでＱＰＳＫ変調を行ない、その後、２次変調としてＡＳＫ、ＰＳＫによりバック・スキャッタ方式で変調を掛ける方法について提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。

図５には、タグ側で、受信周波数ｆ_oを所定の中心周波数ｆ_sだけ正負いずれかの方向に周波数シフトさせて、反射波を送り返すＲＦＩＤシステムの構成例を示している。

参照番号１００はモバイル機器側の無線送信装置、参照番号１１０はリーダ側の無線送受信装置であり、無線送信装置１００から無線送受信装置１１０にバック・スキャッタ方式によってデータ伝送を行なうものとする。無線送信装置１００は、デジタル・カメラなどのアプリケーション部１０５に接続される。同様に、無線送受信装置１１０は、無線受信装置１０４は、プリンタなどのアプリケーケーション部１１９に接続されている。

無線送受信装置１１０は、アンテナ１１１、送信波と受信波を分離するサーキュレータ１１２、受信部１１４、受信部１１４のローカル発振器１１５、送信部１１６、送信部１１６のローカル発振器１１７と、ベースバンド処理部１１８で構成される。ここでは、受信部１１４、送信部１１６ともにダイレクト・コンバージョン方式を用いるとする。

無線送信装置１００への無変調キャリヤの送信は、ベースバンド処理部１１８より送信部１１６をオンにし、ローカル発振器１１７の周波数ｆ_oをバンドパス・フィルタ１１３、サーキュレータ１１２経由でアンテナ１１１から送信することにより行なわれる。送信された無変調キャリヤｆ_oは、無線送信装置１００に到達する。ここでバンドパス・フィルタ１１３は、受信部１１４への送信機雑音の影響を軽減するために設けられる。

無線送信装置１００は、アンテナ１０１、バック・スキャッタ変調器１０２、サブキャリヤＱＰＳＫ変調器１０３、サブキャリヤ発振器１０４で構成される。

サブキャリヤＱＰＳＫ変調器１０３では、サブキャリヤ周波数ｆ_sでＱＰＳＫ変調を行なう。ＱＰＳＫ変調を行なうデータは、アプリケーション部１０５より、送信データ（ＴＸＤＡＴＡ）及び送信クロック（ＴＸＣＬＫ）として、受け取る。

一般的にＱＰＳＫ変調には９０°移相器が必要になるが、デジタル回路で行なう場合なら、ｆ_sの４倍のクロックから容易に作り出すことが可能である。また、アナログ遅延線を用いることも可能である。

生成された中心周波数ｆ_sのＱＰＳＫ変調波は、バック・スキャッタ変調器１０２でＡＳＫ変調される。バック・スキャッタ変調は、ダイオードやＧａＡｓスイッチなどを用いて簡単に構成することができる（周知）。このようして、最終的にアンテナ１０１から反射されるＱＰＳＫ変調波は、無変調キャリヤの周波数ｆ_oの両サイドバンド、すなわち中心周波数ｆ_o＋ｆ_s、及びｆ_o−ｆ_sの２つの帯域に生成されることになる。

図５に示した例では、両サイドバンドに分割された変調波のうちｆ_o＋ｆ_sの方を用いるものとする。ｆ_o−ｆ_sの変調波は、例えばアンテナ１０１とバック・スキャッタ変調器１０２の間に挿入するバンドパス・フィルタ１０６を用いて除去することが可能である。但し、バンドパス・フィルタ１０６の挿入損失が２倍効いてしまい、反射効率を低下させる原因になる。また、バンドパス・フィルタ１０６を挿入することに伴い、装置コストが増大してしまう。

無線送受信装置１１０では、ｆ_o＋ｆ_sのバック・スキャッタされたＱＰＳＫ変調波がアンテナ１１１、サーキュレータ１１２、受信部１１４により受信される。

受信部１１４では、ローカル発振器１１５の周波数ｆ_o＋ｆ_sによりダイレクト・コンバージョン受信が行なわれ、ＱＰＳＫ変調波はベースバンド信号Ｉ、Ｑに変換され、ベースバンド処理部１１８に送られる。

ベースバンド処理部１１８では、ＱＰＳＫの復調処理（キャリヤ同期、シンボル同期）が行なわれ、受信データＲＸＤＡＴＡと、受信クロックＲＸＣＬＫが生成され、アプリケーション部１１９に渡される。

しかしながら、このようにタグ・リーダ側からの周波数ｆ_oの無変調キャリヤに対し、タグ側でｆ_sだけシフトさせて反射波を返すという上記の方法では、以下のような問題がある。

（１）リーダからの無変調キャリヤを中心にサブキャリヤ周波数分＋側と−側の両サイドバンドに分割されて反射波の変調波が現われてしまう。実際に必要な変調波は片側だけなので、片側をフィルタでカットする必要がある。しかしながら、バック・スキャッタ方式でフィルタを用いると、往復で挿入損失が効いてしまい、反射効率を下げることになる。また、フィルタのコストアップも問題となる。

（２）反射波のエネルギが両サイドバンドに分割される。このため、片側しか用いない場合には、使用しないもう片側に配分されるエネルギは電力ロスとなり、反射波の電力を低下させることになる。例えば、最低３ｄＢは低下してしまうと考えられる。ＡＳＫによるバック・スキャッタ方式を用いるとさらにその低下分は大きくなる。

図６は、図５に示したＲＦＩＤシステムにおける反射波のスペクトラムを示している。バック・スキャッタの変調方式はＡＳＫとする。

参照番号２００は、無線送受信装置１１０より送信された周波数ｆ_oの無変調キャリヤの戻り分である。また、参照番号２０１は、中心周波数ｆ_o＋ｆ_sのＱＰＳＫ変調波であり、参照番号２０２は、中心周波数ｆ_o−ｆ_sのＱＰＳＫ変調波である。

図示のように、無線送受信装置１１０より送信された無変調キャリヤは、２００、２０１、２０２の各成分に分解されて反射されるため、片側の変調信号は、レベルの低いものとなってしまう。すなわち、そもそも微弱な反射波のレベルがさらに低下することから、通信距離を短くする一因となる。

特開平６−１２３７７３号公報 特開平１０−２０９９１４号公報 クラウス・フィンケンツェラー著（ソフト工学研究所訳）「ＲＦＩＤハンドブック 非接触ＩＣカードの原理と応用」（日刊工業新聞社）

本発明の目的は、読取装置側からの無変調キャリヤの送信と、送信装置側におけるアンテナの終端操作に基づく受信電波の吸収と反射を利用したバック・スキャッタ方式によりデータ通信を好適に行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、読取装置側における送信機雑音の影響を除去して受信感度を向上させるとともに通信距離を拡張することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、タグ・リーダ側からの周波数ｆ_oの無変調キャリヤに対し、タグ側でｆ_sだけシフトさせて反射波を返すことにより、タグ・リーダ側でのＤＣオフセットや送信機雑音の影響を除去し、受信感度を向上させて伝送距離を伸ばすことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、タグ・リーダ側からの周波数ｆ_oの無変調キャリヤに対し、タグ側でｆ_sだけシフトさせて反射波を返す際に、反射効率を向上させるとともに反射波の電力ロスを防ぐことにより、受信感度を向上させて伝送距離を伸ばすことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、受信電波の吸収と反射を利用したバック・スキャッタ方式によりデータ通信を行なう無線通信システムであって、
データ読取装置が周波数ｆ_oの無変調キャリヤを送信し、
データ送信装置が、中心周波数ｆ_sにより送信データを１次変調し、該１次変調信号をバック・スキャッタ方式の無変調キャリヤの入力と掛け算して、周波数ｆ_o＋ｆ_s又はｆ_o−ｆ_sのいずれか一方を抑制した反射波の変調波を生成するように２次変調し、
前記データ読取装置が、前記データ送信装置からの周波数ｆ_o＋ｆ_s又はｆ_o−ｆ_sのいずれか一方が抑制された反射波信号を受信処理する、
ことを特徴とする無線通信システムである。

但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。

本発明に係る無線通信システムは、例えばバック・スキャッタ方式によりタグが無電源でデータ通信を行なうことができるＲＦＩＤシステムに適用することができ、データ送信装置はタグに、データ読取装置はタグ・リーダに、それぞれ相当する。

通常のＲＦＩＤシステムにおいては、リーダからのキャリヤの周波数と反射波の中心周波数は同じであり、リーダ側では送信受信を同一周波数で行なうことになるから、タグ・リーダの受信部では、ＤＣオフセットや送信機雑音の影響を受けながら、電力強度の弱い反射波を処理しなければならない、という問題がある。

これに対し、本発明に係る無線通信システムでは、タグ・リーダ側からの周波数ｆ_oの無変調キャリヤに対し、タグ側でｆ_sだけシフトさせて反射波を返すことにより、タグ・リーダ側でのＤＣオフセットや送信機雑音の影響を除去し、受信感度を向上させて伝送距離を伸ばすことができる。

また、タグ側でｆ_sだけシフトさせて反射波を返す場合には、無変調キャリヤを中心にサブキャリヤ周波数分＋側、並びに−側の両サイドバンドに分割されて反射波の変調波が現われてしまうことから、両サイドバンドに反射波のエネルギが分割されることによる電力ロスと、片側をフィルタでカットすることによるコストアップの問題がある。

これに対し、本発明では、データ送信装置が、中心周波数ｆ_sにより送信データを１次変調し、該１次変調信号を前記無変調キャリヤと掛け算して２次変調し、このとき周波数ｆ_o＋ｆ_s又はｆ_o−ｆ_sのいずれか一方が抑制された反射波の変調信号を生成して送信するようにしたので、反射効率を向上させるとともに反射波の電力ロスを防ぎ、受信感度を向上させて伝送距離を伸ばすことができる。また、両サイドバンドに分割された片側の反射波をフィルタで取り除く必要がなくなるので、コストアップを抑制することができる。

データ送信装置は、送信データをＢＰＳＫ又はＱＰＳＫ方式により、中心周波数ｆ_sを用いて送信データを１次変調し、送信データＩを生成するとともに、該送信データと９０度だけ位相差を与えて送信データＱを生成する。

さらに、データ送信装置は、該送信データをバック・スキャッタ方式で前記無変調キャリヤを直交変調するＩ及びＱとそれぞれ掛け算することにより、周波数ｆ_o＋ｆ_s又はｆ_o−ｆ_sのいずれか一方が抑制された反射波の変調信号を生成する。

ここで、前記の直交変調する無変調キャリヤの入力Ｉ及びＱを前記の１次変調した送信データＩ及びＱとを掛け合わせる組み合わせを切り替えることにより、周波数ｆ_o＋ｆ_s又はｆ_o−ｆ_sいずれか一方からなる反射波の変調波を選択的に生成することができる。

例えば、直交変調する無変調キャリヤの入力Ｉと１次変調した送信データＩとを掛け算するとともに、直交変調する無変調キャリヤの入力Ｑと１次変調した送信データＱとを掛け算することにより、周波数ｆ_o−ｆ_sからなる反射波をデータ読取装置に返すことができる。あるいは、直交変調する無変調キャリヤの入力Ｉと１次変調した送信データＱとを掛け算するとともに、直交変調する無変調キャリヤの入力Ｑと１次変調した送信データＩとを掛け算することにより、周波数ｆ_o＋ｆ_sからなる反射波をデータ読取装置に返すことができる。

また、データ送信装置は、１次変調の中心周波数ｆ_sを変化させるようにしてもよい。

また、送信データのクロックを１次変調用の周波数ｆ_sを分周して得る場合、クロック統一により同期獲得が容易となる。

本発明によれば、読取装置側において送信周波数と送信装置側から反射波として返される受信周波数とを分離し、受信感度を向上させるとともに通信距離を拡張することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法を提供することができる。

また、本発明によれば、タグ・リーダ側からの周波数ｆ_oの無変調キャリヤに対し、タグ側でｆ_sだけシフトさせて反射波を返すことにより、タグ・リーダ側でのＤＣオフセットや送信機雑音の影響を除去し、受信感度を向上させて伝送距離を伸ばすことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法を提供することができる。

また、本発明によれば、タグ・リーダ側からの周波数ｆ_oの無変調キャリヤに対し、タグ側でｆ_sだけシフトさせて反射波を返す際に、反射効率を向上させるとともに反射波の電力ロスを防ぐことにより、受信感度を向上させて伝送距離を伸ばすことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法を提供することができる。また、両サイドバンドに分割された片側の反射波をフィルタで取り除く必要がなくなるので、コストアップを抑制することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

本発明は、バック・スキャッタ方式によりタグが無電源でデータ通信を行なうことができるＲＦＩＤシステムに関する。

通常のＲＦＩＤシステムにおいては、リーダからのキャリヤの周波数と反射波の中心周波数は同じであり、リーダ側では送信受信を同一周波数で行なうことになるから、タグ・リーダの受信部では、ＤＣオフセットや送信機雑音の影響を受ける、という問題がある。

これに対し、本発明に係る無線通信システムでは、タグ・リーダ側からの周波数ｆ_oの無変調キャリヤに対し、タグ側でｆ_sだけシフトさせて反射波を返すことにより、タグ・リーダ側でのＤＣオフセットや送信機雑音の影響を除去するようにしている。

図１には、本発明の一実施形態に係る無線通信装置の構成を模式的に示している。図示の無線通信装置は、ＲＦＩＤシステムにおけるタグに相当し、タグ・リーダから送られてくる周波数ｆ_oの無変調キャリヤを受信し、バック・スキャッタ方式により周波数ｆ_sだけシフトするとともに、両サイドバンドｆ_o＋ｆ_s又はｆ_o−ｆ_sのうち一方を抑制した反射波の変調信号を生成して送信する。

図１に示すように、無線通信装置１０は、周波数生成部１１と、１次変調部１２と、２次変調部１３とを備えている。

周波数生成部１１は、１次変調の中心周波数ｆ_sを生成する。周波数生成部１１は、１次変調の中心周波数ｆ_sを変化させるようにしてもよい。

１次変調部１２は、送信データをＢＰＳＫ又はＱＰＳＫ方式により、中心周波数ｆ_sを用いて送信データを１次変調し、送信データのＩ軸信号を生成する。さらに、この送信データのＩ軸信号に９０度の位相差を与えて、送信データのＱ軸信号も生成する。

２次変調部１３は、１次変調された送信データに対し２次変調を施す。本実施形態では、２次変調部は、タグ・リーダから送信される周波数ｆ_oの無変調キャリヤに対するバック・スキャッタ方式の直交変調器で構成される。すなわち、２次変調部１３では、入力される無変調キャリヤのＩ軸信号及びＱ軸信号に、上記の１次変調された送信データのＩ軸信号及びＱ軸信号とそれぞれ掛け算する。

通常、２つの異なる周波数ｆ_oと周波数ｆ_sとを周波数演算すると、ｆ_oの両サイドバンドの周波数成分ｆ_o＋ｆ_s及びｆ_o−ｆ_sが生成され、一方が他方に対する妨害波となり得る。これに対し、上述したように、それぞれの周波数信号のＩ軸信号とＱ軸信号とを掛け算して直交変調をかけることにより、周波数ｆ_o＋ｆ_s又はｆ_o−ｆ_sのいずれか一方を抑制した反射波の変調信号を生成することができる。すなわち、所望の周波数成分の信号のみを生成し、妨害波を除去することができる。

この結果、反射効率を向上させるとともに反射波の電力ロスを防ぎ、受信感度を向上させて伝送距離を伸ばすことができる。また、タグ・リーダ側では、両サイドバンドに分割された片側の反射波をフィルタで取り除く必要がなくなるので、コストアップを抑制することができる。

図２には、図１に示したＲＦＩＤタグとしての無線通信装置の変形例を示している。図示の無線通信装置は、さらに切り替え部１４を備えている。

この切り替え部１４は、無変調キャリヤのＩ軸信号及びＱ軸信号と、上記の１次変調された送信データのＩ軸信号及びＱ軸信号とを掛け合わせる組み合わせを切り替えるようになっている。

無変調キャリヤの入力Ｉ及びＱを前記の１次変調した送信データＩ及びＱとを掛け合わせる組み合わせを切り替えることにより、周波数ｆ_o＋ｆ_s又はｆ_o−ｆ_sのいずれか一方を抑制した反射波の変調信号を選択的に生成することができる。

すなわち、直交変調する無変調キャリヤの入力Ｉと１次変調した送信データＩとを掛け算するとともに、直交変調する無変調キャリヤの入力Ｑと１次変調した送信データＱとを掛け算することにより、周波数ｆ_o−ｆ_sからなる反射波信号をタグ・リーダに返すことができる。あるいは、直交変調する無変調キャリヤの入力Ｉと１次変調した送信データＱとを掛け算するとともに、直交変調する無変調キャリヤの入力Ｑと１次変調した送信データＩとを掛け算することにより、周波数ｆ_o＋ｆ_sからなる反射波信号をタグ・リーダに返すことができる。

図３には、本発明の実施形態に係る無線通信装置の具体的構成を示している。図示の無線通信装置は、ＲＦＩＤシステムにおけるタグとして動作し、反射効率と不要スペクトラムを抑えたバック・スキャッタ方式によるＱＰＳＫ無線伝送を行なうことができる。この無線通信装置の特徴は、イメージ・リジェクション型のバック・スキャッタ変調器を用い、変調波の片側のみの周波数成分を取り出すことにある。

参照番号３００は、イメージ・リジェクション型のバック・スキャッタ変調器である。このバック・スキャッタ変調器３００は、アンテナ３０１と、分波／合成器３０２と、高周波スイッチ３０３並びに３０５と、λ／８の移相器３０４である。一般的に高周波スイッチ３０３並びに３０５はダイオード又はＧａＡｓスイッチなどで構成され、移相器３０４はストリップラインなどで構成される。この３０１〜３０５までが、直交変調部を構成する。

アンテナ３０１の受信信号は、分波／合成器３０２により２つに分岐される。一方は、高周波スイッチ３０３のスイッチ・オンによりアンテナ３０１をアンテナ・インピーダンスで終端してタグ・リーダからの電波を吸収し、同スイッチのオフによりタグ・リーダからの電波を反射する。すなわち、高周波スイッチ３０３は、データに応じてオープン状態とショート状態の全反射を作り出し、位相が１８０度異なるＢＰＳＫ変調器として動作する。

また、他方の高周波スイッチ３０５側でも同様に、スイッチのオン／オフ操作によりタグ・リーダからの電波の吸収又は反射を行なうが、λ／８の移相器３０４が途中に入っているため、往復でλ／４すなわち、９０°位相の進んだＢＰＳＫ変調器として動作する。

すなわち、２つの高周波スイッチ３０３と３０５と、移相器３０４によりバック・スキャッタ型の直交変調器を構成することができる。ここで、高周波スイッチ３０３の制御信号をＩ軸信号、高周波スイッチ３０５の制御信号をＱ軸信号とする。このＩとＱに送信データを与えることにより、バック・スキャッタ型のＱＰＳＫ変調器となるが、反射波の周波数シフトは実現できない。このため、周波数をｆ_sだけシフトさせる機能が必要となる。

図３において、参照番号３０６〜３１１は、周波数をｆ_sだけシフトさせるための送信データのＩ軸信号、並びにＱ軸信号を生成する。

まず、送信データ（ＴＸ ＤＡＴＡ）と送信クロック（ＴＸ ＣＬＫ）によりグレイコード化を含むシリアル−パラレル変換が、Ｓ／Ｐ変換部３０９で行なわれる。この出力をＰ１及びＰ２とする。すなわち、送信データ００は（Ｐ１＝０、Ｐ２＝０）、送信データ０１は（Ｐ１＝０、Ｐ２＝１）、送信データ１０は（Ｐ１＝１、Ｐ２＝１）、送信データ１１は（Ｐ１＝１、Ｐ２＝１）と変換される。

周波数をｆ_sだけシフトするためにはシフトクロック発振器３１０が必要となる。この発振器はｆ_s、又は４倍のｆ_sで発振し、９０°移相器３０８において、０°と９０°の２つの信号に分けられる。

９０°移相器３０８は、デジタル回路で行なう場合なら、ｆ_sの４倍のクロックから容易に作り出すことが可能である。また、４倍をせずにアナログ遅延線を用いることも可能である。９０°位相の異なる２つの信号は、ＱＰＳＫ変調器３０６に入力される。

ＱＰＳＫ変調器３０６では、例えばｆ_sの９０°ずつ位相の異なる４つの信号を位相器３０８からの２つの信号から生成し、送信データＰ１、Ｐ２に応じて、４つの信号を選択することでデジタルのＱＰＳＫ信号を生成する。これをＩ軸信号３１２とする。さらに、このＩ軸信号３１２を９０°位相器３０７で位相を９０°だけ遅らせたものをＱ軸信号３１３とする。

ＱＰＳＫ変調器３０６は、変調方式ＱＰＳＫとＢＰＳＫを切り替えられるように変調切替信号（ＭＯＤ ＣＯＮＴ）３１４で変調方式を制御される。例えば、ＢＰＳＫ変調時は、ＭＯＤ ＣＯＮＴ＝０、ＱＰＳＫ変調時は、ＭＯＤ ＣＯＮＴ＝１となる。

以上のＩ軸信号３１２とＱ軸信号３１３を上述した直交変調部でバック・スキャッタ変調することにより、キャリヤ周波数の両側に発生するＱＰＳＫスペクトラムの片側が減衰したスペクトラムを得ることができる。

計算上Ｐ１及びＰ２のデータをＡ（＝±１）、Ｂ（＝±１）とし、Ｘ＝２πｆ_s、Ｙ＝２πｆ_oとすれば、ＱＰＳＫ変調されたＩ軸信号３１２と、それより９０°だけ位相が遅れたＱ軸信号３１３は、次のように表すことができる。

上記の信号は、直交変調部においてタグ・リーダからの無変調キャリヤｆ_oによって直交変調される。ここで、アンテナ３０１に反射される変調波の信号は、下式の通りとなる。

上式より、反射波の変調波は、ｆ_oの両サイドバンドのうちｆ_o−ｆ_s側だけに現われることが分かる。また、ＩとＱを逆に接続することにより、ｆ_o＋ｆ_s側だけに変調波を生成することも可能である。

一方、Ｉ側のみで変調をかけると、アンテナ３０１端での変調波は、下式の通りとなる。

この場合、ｆ_o−ｆ_s、ｆ_o＋ｆ_sの両サイドバンドに変調波が発生することが分かる。また、信号レベルも半分になってしまうことが分かる。

上記の計算例では、ＱＰＳＫ変調であるが、図３において、Ｐ２を常に０とし、Ｐ１を送信データ（ＴＸ ＤＡＴＡ）とし、ＭＯＤ ＣＯＮＴ＝０として、ＢＰＳＫ変調が掛かるようにすれば、上式（３）は、Ａｃｏｓ（Ｘ−Ｙ）となり、同様にｆ_o−ｆ_s側のＢＰＳＫ信号が得られる。

図３において、参照番号３１１は分周器であり、シフトクロック発振器３１０を分周する。分周比ｎとして１、２、４などに選び、送信クロックをこの分周器出力の信号を用いることにより、ＱＰＳＫ変調器３０６、移相器３０７のＥＸＯＲ出力では、同期したＩ軸信号及びＱ軸信号を生成することが可能となる。但し、データの変化点とクロックの変化点が同じになるため、ハザードが発生する。この対策については、本発明の要旨には直接関連しないので、ここでは説明しない。

送信データのクロックを１次変調用の周波数ｆ_sを分周して得る場合、クロック統一により同期獲得が容易となる。

図４には、このようして生成された反射波のスペクトラムを示している。

参照番号４０１は、中心周波数ｆ_o−ｆ_sのＱＰＳＫ変調波である。また、参照番号４００は中心周波数ｆ_oのＱＰＳＫ変調波の漏れ成分、参照番号４０２は中心周波数ｆ_o＋ｆ_sのＱＰＳＫ変調波の漏れ成分をそれぞれ示しており、ともにｆ_o及びｆ_sのぞれぞれの直交性のアンバランスにより発生する成分であり、理想的には、生じない。

上述したｆ_o＋ｆ_sの変調波の受信、復調を行なうタグ・リーダには、図５に示した送受信装置１１０をそのまま利用することができるので、ここでは、重複を避けるため説明を行なわない。

以上の方法により、反射効率と不要スペクトラムを抑えたバック・スキャッタ方式によるＰＳＫ又はＱＰＳＫ変調の無線伝送装置を実現することが可能となる。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に係る無線通信装置の構成を模式的に示した図である。 図２は、図１に示したＲＦＩＤタグとしての無線通信装置の変形例を示した図である。 図３は、本発明の実施形態に係る無線通信装置の具体的構成を示した図である。 図４は、図３に示した無線通信装置における反射波のスペクトラムを示した図である。 図５は、タグ側で、受信周波数ｆ_oを所定の中心周波数ｆ_sだけ正負いずれかの方向に周波数シフトさせて、反射波を送り返すＲＦＩＤシステムの構成例を示した図である。 図６は、図５に示したＲＦＩＤシステムにおける反射波のスペクトラムを示した図である。 図７は、従来のバック・スキャッタ方式の無線通信システムの構成例を示した図である。

符号の説明

１０…無線通信装置
１１…周波数生成部
１２…１次変調部
１３…２次変調部
１４…切り替え部
３００…バック・スキャッタ変調器
３０１…アンテナ
３０２…分波／合成器
３０３，３０５…高周波スイッチ
３０４…移相器
３０６…ＱＰＳＫ変調器
３０７，３０８…位相器
３０９…Ｓ／Ｐ変換器
３１０…シフトクロック発振器
３１１…分周器

Claims (12)

1. 受信電波の吸収と反射を利用したバック・スキャッタ方式によりデータ通信を行なう無線通信システムであって、
   データ読取装置が周波数ｆ_oの無変調搬送波を送信し、
   データ送信装置は、
   中心周波数ｆ _s により送信データを１次変調して送信データＩ及び該送信データと９０度だけ位相が異なる送信データＱを生成するとともに、
   無変調搬送波に対するバック・スキャッタ型の直交変調器で構成されるとともに、前記の直交変調する無変調搬送波の入力Ｉ及びＱを前記の１次変調した送信データＩ及びＱとを掛け合わせる組み合わせを切り替える切り替え手段を備え、前記の直交変調する無変調搬送波の入力Ｉ及びＱを該送信データＩ及びＱとそれぞれ掛け算して２次変調し、周波数ｆ _o ＋ｆ _s 又はｆ _o −ｆ _s いずれか一方を抑制した反射波の変調信号を選択的に生成し、
   前記データ読取装置が、前記データ送信装置からの周波数ｆ_o＋ｆ_s又はｆ_o−ｆ_sいずれか一方の反射波を受信処理する、
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記データ送信装置は、送信データをＢＰＳＫ又はＱＰＳＫ方式により１次変調する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. １次変調の中心周波数ｆ _s を変化させる周波数制御手段をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
4. 前記データ送信装置は、送信データのクロックを前記１次変調用の周波数ｆ _s を分周して得る、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
5. 受信電波の吸収と反射を利用したバック・スキャッタ方式によりデータ通信を行なう無線通信装置であって、
   中心周波数ｆ _s により送信データを１次変調して送信データＩ及び該送信データと９０度だけ位相が異なる送信データＱを生成する１次変調手段と、
   無変調搬送波の入力Ｉ及びＱを前記の１次変調した送信データＩ及びＱとを掛け合わせる組み合わせを切り替える切り替え手段と、
   前記の直交変調する無変調搬送波の入力Ｉ及びＱを前記の１次変調した送信データＩ及びＱと掛け算して２次変調し、周波数数ｆ _o ＋ｆ _s 又はｆ _o −ｆ _s のいずれか一方を抑制した反射波の変調波を選択的に生成する２次変調手段と、
   を具備することを特徴とする無線通信装置。
6. 前記１次変調手段は、送信データをＢＰＳＫ又はＱＰＳＫ方式により１次変調する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の無線通信装置。
7. １次変調の中心周波数ｆ _s を変化させる周波数制御手段をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項５に記載の無線通信装置。
8. 前記１次変調手段は、送信データのクロックを前記１次変調用の周波数ｆ _s を分周して得る、
   ことを特徴とする請求項５に記載の無線通信装置。
9. 受信電波の吸収と反射を利用したバック・スキャッタ方式によりデータ通信を行なう無線通信方法であって、
   中心周波数ｆ _s により送信データを１次変調して送信データＩ及び該送信データと９０度だけ位相が異なる送信データＱを生成する１次変調ステップと、
   無変調搬送波の入力Ｉ及びＱを前記の１次変調した送信データＩ及びＱとを掛け合わせる組み合わせを切り替える切り替えステップと、
   前記の直交変調する無変調搬送波の入力Ｉ及びＱを前記の１次変調した送信データＩ及びＱと掛け算して２次変調し、周波数数ｆ _o ＋ｆ _s 又はｆ _o −ｆ _s のいずれか一方を抑制した反射波の変調波を選択的に生成する２次変調ステップと、
   を具備することを特徴とする無線通信方法。
10. 前記１次変調ステップでは、送信データをＢＰＳＫ又はＱＰＳＫ方式により１次変調する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の無線通信方法。
11. １次変調の中心周波数ｆ _s を変化させる周波数制御ステップをさらに備える、
    ことを特徴とする請求項９に記載の無線通信方法。
12. 前記１次変調ステップでは、送信データのクロックを前記１次変調用の周波数ｆsを分周して得る、
    ことを特徴とする請求項９に記載の無線通信装置。

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